Ciencias Naturales. 3er nivel básica EPJA -parte 2 de 2- by Alfonsina Acevedo Olase

UNIDAD

Para comenzar

Cómo se originan y cómo se pueden prevenir las enfermedades Observe, junto con un compañero o compañera, la siguiente imagen y, luego, respondan las siguientes preguntas.

1 ¿Qué ocurre si una persona descuida su higiene bucal, por ejemplo, no cepillándose los dientes? 2 ¿Qué es una caries? 3 ¿Qué agente patógeno genera las caries? 4 ¿Por qué cree usted que es importante mantener una adecuada higiene bucal para prevenir la aparición de caries? 5 En general, es importante mantener hábitos de aseo adecuados para evitar enfermedades. ¿A qué se debe esto?

Aprendizajes esperados En esta unidad, usted trabajará para conseguir los siguientes aprendizajes: 1 Explicar el origen de algunas enfermedades más frecuentes y las medidas que se pueden adoptar para prevenirlas. 2 Valorar las responsabilidades personales y comunitarias en la mantención de una buena salud y un estilo de vida saludable.

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UNIDAD

Vida saludable “Hay que llevar un estilo de vida sana y saludable”. Esta afirmación es muy conocida, pero ¿alguna vez se ha detenido a reflexionar sobre lo que eso significa? Constantemente se habla de ciertas actividades, hábitos de alimentación o formas de vida que son las indicadas para mantener una vida saludable. Para entender qué es “ser saludable”, debemos retomar nuevamente el concepto de salud, mencionado en la unidad anterior. Recordando que salud es el bienestar físico, mental y social de un individuo, se puede considerar que el ser saludable es una condición integral, en la que no solo importa la persona, sino que también la comunidad en que vive.

DESAFÍO ¿Por qué hay que tener un estilo de vida saludable?

Para lograr que los tres factores antes mencionados estén en equilibrio, es necesario tomar acciones concretas de manera diaria. Es posible equilibrar a cabalidad cuerpo, mente y sociedad a través de un estilo de vida adecuado. Tener un mejor estilo de vida trae beneficios para la salud del individuo y quienes lo rodean. No solo eso, sino que además el individuo tiene un mejor manejo del estrés, mejor autoestima y bienestar general. Por esta razón, es importante siempre pensar de qué manera, tanto individual como colectivamente, es posible adoptar criterios y realizar acciones que promuevan la mantención de una buena salud y un estilo de vida saludable. Desde comer de manera adecuada y hacer deporte hasta evitar y prevenir todo tipo de violencia en la familia y en la comunidad; es vital trabajar proactivamente para mejorar nuestra calidad de vida.

Test Conteste fundamentando sus respuestas. 1 Observe las tres imágenes de distintas personas en diversas situaciones. Para cada situación, indique si la persona parece ser saludable o no. Justifique sus respuestas

Unidad 2 Cómo se originan y cómo se pueden prevenir las enfermedades

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Enfermedades infectocontagiosas DESAFÍO ¿Cómo distingo las enfermedades?

Como aprendimos en la unidad anterior, una persona deja de estar saludable y pasa a estar enferma al verse afectado por algún microorganismo patógeno. Al estar una persona enferma por causa de un patógeno, se clasifica esa enfermedad como infectocontagiosa. Los patógenos que existen son tan diversos como las enfermedades que pueden provocar. Es importante señalar que si bien hay síntomas que son comunes de varias enfermedades, como el dolor de cabeza o la fiebre, pueden ser tratados en casa si son parte de una enfermedad común. Sin embargo, otras veces los mismos síntomas persisten, por lo que pueden ser parte de enfermedades más graves y que necesitan atención médica. Según la gravedad de la enfermedad y el agente patógeno que la causa, el tratamiento varía. A continuación, revisaremos algunas enfermedades comunes, sus causas y cómo tratarlas.

Caries Aunque seguramente usted está familiarizado con las caries, probablemente, al igual que muchas personas, no sabe que las caries son causadas por un patógeno. El agente patógeno causante de las caries corresponde a bacterias, las cuales transforman ciertos alimentos que permanecen entre los dientes y muelas en sustancias ácidas. Estas destruyen progresivamente el esmalte dental y el interior del diente. Para evitar el aumento de esas bacterias, la consecuente producción de ácidos, y la eliminación de las caries, es necesario eliminar las bacterias mediante el cepillado frecuente después da cada comida y visitas al dentista.

Cabeza

Placa bacteriana

En Chile, más del 90 % de la población presenta caries dentales.

Resfrío común Altamente frecuente en invierno, pero presente durante todo el año, síntomas como fiebre, dolor de cabeza, estornudos, tos y malestar general durante un corto período son asociados a una enfermedad llamada resfrío. El resfrío común es causado por un virus, el cual, dado el tiempo necesario, es eliminado de manera natural por el sistema inmune del organismo.

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UNIDAD

Hanta El hantavirus es un virus con una mortalidad cercana al 50% en los pacientes enfermos. Los síntomas comienzan como un resfrío severo, pero persisten y desembocan en síndrome de distrés respiratorio agudo (extrema dificultad en respirar). Las personas se infectan con el virus a través del contacto directo o indirecto con los ratones, que son portadores del virus. La principal manera de tratar la enfermedad es con antivirales y hospitalizar a las personas para ayudarles a conllevar la insuficiencia respiratoria hasta que el virus sea eliminado.

Herpes Los herpesvirus son un gran grupo de virus, que causan una amplia variedad de enfermedades en humanos y animales, incluyendo ampollas febriles (herpes simples) y lesiones en genitales (herpes venéreos o de transmisión sexual), entre otras. Varios herpesvirus ocasionan también cáncer. Una de las características interesantes de algunos de estos virus es su capacidad para permanecer latentes en el cuerpo por largos períodos de tiempo y de activarse solo bajo condiciones de estrés. Hombres y mujeres se contagian con el herpes simple por contacto con otras personas u objetos infectados por el virus (al besarse, al compartir un mismo vaso, cigarrillo, lápiz labial, etc.). El herpes venéreo, por su parte, se contagia mediante contacto sexual con personas infectadas con el virus. La principal manera de tratar la enfermedad es con antivirales.

Test Responda las siguientes preguntas. 1 ¿Qué es una enfermedad infectocontagiosa?

2 Nombre una enfermedad provocada por bacterias y una enfermedad provocada por virus. Describa brevemente los síntomas de estas enfermedades.

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VIH y SIDA DESAFÍO ¿Cuál es la diferencia entre VIH y sida?

GLOSARIO Un síndrome es un conjunto de síntomas característicos de una enfermedad.

Una enfermedad muy conocida en nuestra sociedad hoy en día es el sida (síndrome de inmunodeficiencia adquirida). Por otro lado, poco conocido es el patógeno que causa la enfermedad, el VIH (virus de inmunodeficiencia humana). El mecanismo que tiene el VIH en el cuerpo es infectar y posteriormente destruir los linfocitos T, lo que prácticamente anula el sistema inmune, y con ellos las defensas del cuerpo contra otros patógenos. Como consecuencia, bacterias, virus, hongos y parásitos, que normalmente no provocarían enfermedad alguna gracias a la defensa del sistema inmune, pueden provocar alteraciones y enfermedades, que pueden incluso llegar a ser mortales. Las personas con sida desarrollan una serie de alteraciones en distintas partes del cuerpo, como en la piel, sistema respiratorio, sistema digestivo, etc. Es por eso que más que de una enfermedad, se habla de un síndrome. Los síntomas y signos más comunes son fiebre, sudoración (particularmente en la noche), diarreas crónicas, glándulas inflamadas, escalofríos, debilidad, pérdida de masa corporal y manchas sobre la piel (sarcoma de Kaposi, ver imagen).

La sarcoma de Kaposi corresponde a lesiones de color púrpura, planas o en forma de uva, que cubren la piel, el tracto gastrointestinal y otros órganos.

Contagio Lo que se contagia de una persona a otra no es la enfermedad en sí, sino que el VIH. El VIH se puede contagiar por cuatro vías: a) por contacto sexual; b) por contacto con sangre contaminada; c) de la madre al hijo durante el parto; y d) al compartir agujas de jeringas entre portadores del virus y personas sanas. Precisamente, para evitar el contagio con el virus, es necesario evitar conductas riesgosas, como las recién descritas. Es importante recalcar que las cuatro vías anteriormente nombradas son las únicas maneras de contraer el virus. Existen demasiados prejuicios o desinformación en torno al sida, lo que ha provocado que las personas afectadas por esta enfermedad sufran una fuerte discriminación social. Es importante puntualizar que el VIH no se propaga por contacto casual, es decir, por tocarle la mano a una persona con el virus o manipular cosas usadas con anterioridad por la persona. Es por esto que una persona con VIH o sida puede llevar una vida absolutamente normal, tomando, por cierto, las debidas precauciones.

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UNIDAD

Una de las principales razones por la que el VIH está extendido por todo el mundo es debido a que una persona infectada con VIH no presenta señal alguna de la enfermedad durante mucho tiempo. En este período en que no presenta síntomas, el individuo es llamado portador o seropositivo. Eventualmente, el VIH comenzará a infectar y destruir linfocitos T, debilitando el sistema inmune y provocando sida. Los síntomas más comunes del sida son fiebre alta, diarrea crónica, glándulas inflamadas, etc. A diferencia de otras ocasiones en que también presentan estos síntomas, son persistentes en el tiempo y no se eliminan fácilmente.

Test de Elisa

Todos los 1 de diciembre, se conmemora el Día Mundial de la lucha contra el Sida, con campañas dirigidas para evitar el contagio.

Para detectar si una persona está infectada con el VIH se le realiza un examen de sangre conocido como test de Elisa. La caracerística principal de esta prueba es que presenta un 99,5% de confiabilidad. Pero, ¿cómo se interpretan los resultados de un examen o test de Elisa? • Si es positivo: la persona que se realizó el examen es portador del virus. Se le denomina VIH positivo, que quiere decir que tiene el virus que causa el sida. Puede infectar a otras personas. • Si es negativo: la persona no presenta anticuerpos para el VIH. No es portadora del virus. No puede infectar a otras personas.

GLOSARIO Los anticuerpos son sustancias inmunitarias que aparecen en el organismo como reacción y defensa contra un antígeno o cuerpo extraño.

Test Complete la siguiente tabla para cada una de las enfermedades presentadas.

Enfermedad

Agente patógeno

Tratamiento

Síntomas

Caries Resfrío común Hanta Herpes Sida

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Prevención de enfermedades infectocontagiosas DESAFÍO ¿Es importante fortalecer los hábitos de higiene? a

Ahora que revisamos algunas enfermedades comunes, pondremos énfasis en cómo prevenirlas. Existen varias medidas para controlar, destruir o protegernos de agentes patógenos que causan enfermedades. A continuación, nombraremos una serie de medidas que cualquier persona o comunidad puede adoptar para evitar la entrada de patógenos al organismo. a) Antisépticos: los antisépticos son sustancias que se aplican en el cuerpo, como el alcohol gel, por ejemplo, y que disminuyen la cantidad de patógenos presentes. b) Desinfectantes: son sustancias que se aplican en objetos inertes o en el ambiente, por ejemplo, el cloro, y que al igual que los antisépticos tienen la propiedad de disminuir la carga patogénica.

c) Esterilización: objetos inertes son sometidos a temperaturas muy altas, alrededor de 121 ºC, proceso que elimina completamente los agentes patógenos. d) Hábitos de higiene: acciones como lavarse las manos con frecuencia, estornudar en un pañuelo desechable, ventilar el hogar, son hábitos que previenen la propagación de los patógenos que se encuentran normalmente en el ambiente.

Para investigar La pasteurización d

Busque en libros o Internet en qué consiste el proceso de pasteurización. A continuación, responda las siguientes preguntas: a) ¿Cuál es el principal fin de la pasteurización?

b) ¿Qué se utiliza para eliminar los patógenos?

c) ¿Qué alimentos son más comúnmente pasteurizados?

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UNIDAD

Vacunas Como se señaló anteriormente, de alguna manera se pueden mantener los patógenos bajo control, aunque no siempre es posible. De entrar un patógeno al organismo, es posible reducir el tiempo en que el sistema inmune de una persona lo elimina si la persona fue anteriormente vacunada contra ese patógeno. La vacunación consiste en inyectar en una persona sana el patógeno causante de la enfermedad que se quiere evitar, pero de manera que no cause daño o alteraciones en el organismo. El patógeno que se inyecta está atenuado, es decir, debilitado o muerto, por lo que se estimula la producción de anticuerpos, pero sin provocar la enfermedad, aunque a veces se pueden presentar síntomas leves correspondientes a la enfermedad que causa el patógeno.

DESAFÍO ¿Por qué una vacuna puede producir una fiebre leve?

Antibióticos Una persona que se enfrenta por primera vez a un microorganismo patógeno, posiblemente va a desarrollar la enfermedad provocada por ese microorganismo. Si el microorganismo patógeno corresponde a una bacteria, es posible utilizar antibióticos para eliminarla. Anteriormente aprendimos que los antibióticos eliminan de manera selectiva las bacterias, tema que profundizaremos ahora. Los antibióticos tienen una toxicidad selectiva, es decir, son más tóxicos para los microorganismos hacia los cuales están dirigidos que para las personas. Son selectivos porque eliminan bacterias específicas; por ejemplo, se utilizan distintos antibióticos para eliminar bacterias de la garganta que para eliminar bacterias en el estómago. Los antibióticos deben ser usados de manera correcta, como indicado por un especialista y no automedicarse. De no ser así, las bacterias desarrollan resistencia al antibiótico, y el antibiótico pierde la capacidad de eliminar la bacteria.

Test Responda la siguiente pregunta. La penicilina fue el primer antibiótico que se descubrió y el que ha sido usado por nosotros por el mayor tiempo. Actualmente, un gran número de bacterias ha desarrollado resistencia frente a este antibiótico, ¿por qué cree que ocurre esto?

Unidad 2 Cómo se originan y cómo se pueden prevenir las enfermedades

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Adicciones DESAFÍO ¿Qué sucede en el cuerpo y en el entorno de un adicto?

GLOSARIO La abstinencia (o síndrome de abstinencia) es una serie de síntomas que presenta un adicto o adicta al dejar bruscamente de ingerir un determinado fármaco o tóxico.

Como recordará, una enfermedad no solo es causada por un factor físico. Una enfermedad puede ser de índole mental o social. Hay acciones que causan la pérdida de la salud mental, causando enfermedad; por ejemplo, el consumo de sustancias como alcohol, tabaco u otras drogas causan un estado llamado adicción, que puede llegar a originar trastornos físicos, mentales y sociales. La adicción es un fuerte deseo de continuar consumiendo una cierta droga, la que es consumida repetidamente, lo que conlleva como consecuencia el desarrollo de tolerancia y dependencia. La tolerancia es un proceso de adaptación física a una cierta sustancia, por lo que la sustancia se debe consumir en mayores cantidades para obtener un efecto. La dependencia es un estado en que se necesita consumir una sustancia de manera continua para evitar los síntomas que resultan de la abstinencia. Según el tipo de droga que causa la adicción se pueden distinguir distintas enfermedades. Dado que hay enfermedades causadas por la pérdida de la salud mental que son bastante recurrentes, las describiremos en detalle a continuación. Los adictos se consideran enfermos, ya que pierden su salud mental.

Las actividades deportivas contribuyen a mantener nuestra salud mental, ya que nos recrean y nos alejan de prácticas negativas como la adicción a las drogas.

Alcoholismo El alcoholismo, como su nombre lo indica, es una adicción al alcohol presente en las bebidas alcohólicas, como vino, cerveza o pisco. El alcohólico o alcóholica es una persona que consume frecuentemente bebidas alcohólicas y en grandes cantidades. Presenta una dependencia síquica y física que genera graves problemas a su salud, a sus vínculos sociales, en especial, a su familia. Un alcohólico o alcohólica pierde su coordinación muscular y respuestas reflejas, aumenta su irritabilidad y pierde conciencia de la realidad.

La mayor parte de los accidentes de tránsito son causados por personas que conducen o transitan en estado de ebriedad.

Las consecuencias de la ingesta excesiva de alcohol pueden llegar a ser tan graves como un accidente de tránsito. ¿Por qué una persona bajo la influencia de alcohol tiene mayores posibilidades de verse involucrada en un accidente de tránsito?

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UNIDAD

Tabaquismo El tabaquismo es una enfermedad adictiva que afecta seriamente la salud física de las personas. Puede provocar daños, como alterar la memoria, faringitis, bronquitis crónica o, incluso, cáncer pulmonar. El tabaquismo es una causa de muerte evitable, ya que depende de cada individuo evitar su consumo. Los daños causados por el tabaquismo han llevado a las autoridades de nuestro país a tomar importantes medidas para disminuir o evitar el consumo del tabaco. Los cigarrillos contienen un gran número de sustancias químicas nocivas para el organismo, entre las cuales se encuentran la nicotina (altamente tóxica), alquitrán (cancerígeno) y monóxido de carbono (gas tóxico que dificulta el transporte de oxígeno). Es importante considerar que el humo del tabaco no solo afecta al fumador o fumadora, sino que también a quienes le rodean, llamados fumadores pasivos.

Drogadicción Una droga es una sustancia que en el organismo provoca un efecto estimulante, depresivo o alucinógeno, ya que actúa en el sistema nervioso. Algunas drogas se usan con fines terapéuticos, es decir, para tratar ciertas enfermedades, pero otras provocan serios daños a la salud. Estas últimas son ilegales. Una persona que presenta una necesidad excesiva de una droga es un drogadicto o drogadicta. La dependencia lleva al drogadicto o drogadicta a buscar y consumir la droga repetidamente para lograr las sensaciones que le produce, por lo que su organismo se vuelve tolerante a la droga. Esta tolerancia lleva a que el drogadicto o drogadicta consuma dosis cada vez A través de campañas publicitarias masivas, diversas organizaciones sociales buscan mayores para experimentar las mismas sensaciones. prevenir el consumo de drogas en nuestro país.

Test Responda las siguientes preguntas. 1 ¿Cuáles creen que son las causas que llevan al consumo de drogas?

2 ¿Cómo puede un individuo alejarse de situaciones de riesgo que puedan llevarlo a una adicción?

3 ¿Qué haría usted si sabe o sospecha que un familiar suyo es adicto o adicta a alguna sustancia?

4 Averigüe cuántas personas fellecen al año por accidentes automovilísticos por manejo en estado de ebriedad. Comente esta situación con sus compañeros y compañeras. Unidad 2 Cómo se originan y cómo se pueden prevenir las enfermedades

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Prevención primaria y secundaria DESAFÍO ¿Cuál es el rol del Estado en nuestra salud?

GLOSARIO Precoz: que se produce en las primeras etapas de una enfermedad.

Como ya sabe, el Estado de Chile se preocupa de proveer las mejores condiciones de salud de todos sus ciudadanos. Recordemos que para conseguir un completo estado de salud, es necesario tener un bienestar físico, mental y social. Por eso, se provee una atención integral de la salud a la sociedad, es decir, un programa de medidas y acciones destinadas a fomentar, proteger, recuperar y rehabilitar la salud de cada persona. Con este fin, las medidas y acciones relacionadas con la atención integral de la salud se esquematizan en tres niveles de prevención: primaria, secundaria y terciaria. a) Prevención primaria: es el conjunto de acciones que estimulan la protección de la salud, y se dirigen principalmente a quienes tienen un estado de salud óptimo o disminuido. Ejemplos de estas acciones son vacunaciones, controles durante el embarazo o programas de alimentación escolar con dietas equilibradas, las cuales se desarrollan en consultorios públicos, centros médicos, hospitales públicos, clínicas privadas, fundaciones, entre otras instituciones. b) Prevención secundaria: considera las acciones dirigidas al diagnóstico precoz y el tratamiento oportuno de una enfermedad. Las alteraciones que causan la pérdida de la salud son detectadas y tratadas oportunamente por especialistas. Ejemplos de estas acciones son los controles odontológicos periódicos o la búsqueda de trastornos del aprendizaje, los que se desarrollan principalmente en consultorios u hospitales públicos o en clínicas privadas. c) Prevención terciaria: se refiere a todas las acciones que tienen como fin último limitar el daño producido por una enfermedad y rehabilitar al paciente. Estas acciones se desarrollan en instituciones dedicadas exclusivamente a cubrir el tratamiento requerido, como Fundación Teletón, Fundación Arturo López Pérez y centros de rehabilitación a lo largo de todo el país.

Test Complete la siguiente tabla con acciones que se pueden tomar a nivel personal o comunitario para mantener la salud en cada uno de los niveles de prevención. Niveles de prevención

Acciones personales

Acciones comunitarias

Primario Secundario Terciario

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Síntesis

A modo de resumen de la Unidad 2, complete el siguiente mapa conceptual. Compare su trabajo con el de sus compañeros y compañeras de curso. 1.

Salud

Enfermedad

al alterarse algún factor se produce una

por ejemplo, alteraciones debido a agentes patógenos como las

Una causa de la pérdida de salud mental o social es la

2. la cual, se previene a nivel personal y comunitario con

3. 4. Hábitos de higiene

El Estado previene trabajando en tres niveles

Adicción enfermedades comunes, como

2. Prevención secundaria 3. Prevención terciaria

por ejemplo

2. Tabaquismo

3. Hanta

4. 5. Sida algunas se pueden prevenir con

otras se pueden tratar con

1. 2. Antivirales

Para profundizar

1 http://www.vida-saludable.net/ (Apoyo a los contenidos: vida saludable). 2 http://artritis.salud.com/chile-sida (Apoyo a los contenidos: VIH y sida en Chile). 3 http://www.profesorenlinea.cl/Ciencias/ EnfermedadeVirales.htm (Apoyo a los contenidos: enfermedades infecciosas virales).

4 http://www.icarito.cl/enciclopedia/articulo/ segundo-ciclo-basico/ciencias-naturales/ estructura-y-funcion-de-los-seresvivos/2009/12/60-5987-9-1-la-vacuna.shtml (Apoyo a los contenidos: vacunas). 5 http://www.nlm.nih.gov/medlineplus/spanish/ antibiotics.html (Apoyo a los contenidos: antibióticos). 6 http://www.adicciones.org/ (Apoyo a los contenidos: adicción).

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EVALUACIÓN Resuelva cada pregunta y compare los resultados de su trabajo con sus compañeros o compañeras y profesor o profesora. Trabaje aquellos temas que necesita fortalecer. 1 Basándose en la imagen, explique por qué esta pareja se podría considerar saludable, considerando la salud como un concepto integral.

2 ¿Cuáles son los dos principales tipos de patógenos causantes de enfermedades infectocontagiosas?

3 Respecto a la pregunta anterior, un ejemplo de tipos diferente de enfermedades infectocontagiosas serían el refrío común y el cólera. Basándose en el tipo de agente patógeno que causa cada una de las enfermedades, ¿qué tipo de tratamiento cree usted que recomendaría un médico para cada caso?

4 Responda las siguientes preguntas, aplicando lo aprendido sobre prevención de enfermedades infectocontagiosas: a) José va a la cocina porque quiere prepararse un sándwich. Mencione dos medidas que debería adoptar José para mantener la higiene en el lugar donde prepara su sándwich.

b) ¿Qué debería hacer José después de preparar el sándwich en la cocina?

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5 Dos maneras de controlar los efectos de distintas enfermedades son la utilización de vacunas y antibióticos. A partir de la información anteriormente dada, una mediante una línea las características que representan a las vacunas y aquellas que identifican la acción de los antibióticos. a) Se usa una luego de que se detecta la enfermedad. b) Causan una respuesta inmune.

Vacunas

c) Inyección de un patógeno. d) Se usa para prevenir el desarrollo de una enfermedad.

Antibióticos

e) Moléculas que eliminan patógenos. f) Causa síntomas leves, similares al de una enfermedad. g) De ser mal utilizado, pierden su efectividad.

6 Defina: a) Adicción: b) Tolerancia: c) Dependencia:

7 En el siguiente mapa conceptual, que representa cómo el Estado provee atención integral de la salud, nombre para cada nivel una acción personal y una acción comunitaria para mantener la salud.

Salud Integral

Prevención primaria

Prevención secundaria

Prevención terciaria

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MÓDULO

Un modelo de la materia

Para trabajar en grupos

Respondan en parejas las siguientes preguntas y, luego, comenten con el curso sus respuestas. 1 ¿En qué estados físicos está la sustancia que se muestra en la imagen? ¿Qué características tiene cada uno de ellos? 2 ¿Qué diferencias pueden establecer entre las partículas que componen cada estado físico? 3 ¿Qué cambio físico se muestra en la fotografía? 4 ¿Por qué ocurre ese cambio físico? 5 ¿Cómo medirían el volumen que ocupa el cubo de hielo? ¿Y el del agua líquida?

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Módulo 4 Un modelo de la materia

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UNIDAD

El modelo cinético molecular

Algunas propiedades de la materia

Objetivos Fundamentales Se espera que al término del Módulo 4, usted haya desarrollado la capacidad de: 1 Identificar la estructura microscópica y las propiedades macroscópicas de la materia en sus diferentes estados de agregación.

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UNIDAD

El modelo cinético molecular

Para comenzar

Observe las siguientes imágenes y describa lo que ve junto con un compañero o compañera. Luego, respondan las preguntas. 1

1 ¿Cómo consigue la mujer inflar el globo? 2 ¿Por qué se mantiene tenso el material que compone al globo? 3 ¿Qué sucedería si colocamos el globo en el refrigerador? ¿Y si lo exponemos a los rayos solares? ¿Por qué? 4 ¿Qué ocurriría si se desanuda el globo? ¿Por qué? 5 ¿Pasaría lo mismo si el globo estuviese lleno con agua? ¿Por qué?

Aprendizajes esperados En esta unidad, usted trabajará para conseguir los siguientes aprendizajes: 1 Describir los tres estados de la materia, asociándolos al grado de ordenamiento y de libertad de movimiento de las partículas (átomos y moléculas) que componen un material determinado por su agitación térmica. 2 Explicar los cambios de estado de la materia, asociándolos con el aumento o disminución del grado de agitación de los átomos y moléculas que componen un material. 3 Caracterizar las propiedades de la materia tales como presión y temperatura con base en un modelo cinético de la materia.

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Módulo 4 Un modelo de la materia

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UNIDAD

Estados físicos de la materia ¿Qué es la materia? En términos simples, la materia es la sustancia que compone los cuerpos físicos, consta de partículas elementales y tiene diversas propiedades. Si observa detenidamente su entorno, se dará cuenta que la materia no está en la naturaleza de manera uniforme. Las sustancias (o sus mezclas) están en distintos estados físicos o de agregación: sólido, líquido y gaseoso.

DESAFÍO ¿Qué es un estado físico de la materia?

¿Cómo podemos distinguir los estados de la materia? ¿Qué características tiene cada uno de los estados físicos? ¿Puede una sustancia existir en más de un estado físico? El siguiente laboratorio le permitirá encontrar algunas respuestas a las preguntas planteadas. ¿Qué estados físicos de la materia se observan en esta imagen?

Laboratorio Revisemos los estados físicos de la materia* Desarrollen en grupo la siguiente actividad experimental.

1 Para esta actividad necesitan una vela, un plato de loza, una cacerola pequeña y otra grande. 2 Corten un trozo de vela de unos 5 cm y realicen una observación detallada de ella. Escriban tres características de la vela (sin considerar la mecha). 3 Coloquen agua en la cacerola grande y en ella la cacerola pequeña con la vela para efectuar un calentamiento a baño de María. 4 Realicen el calentamiento en la cocina y observen qué sucede con la vela. Precaución: la vela es inflamable, no la expongan al fuego directo. 5 Escriban tres características de la vela luego del cambio producido. 6 Vacíen la vela en el plato. Registren y expliquen lo que sucede. 7 Comparen la temperatura de la vela en ambos estados. 8 ¿Qué tipo de cambio (físico o químico) ha experimentado la vela? ¿Por qué?

* Actividad adaptada del Programa de Estudio de Educación Básica, Ciencias Naturales, Educación de Adultos, páginas 106-107.

La experiencia anterior nos permite distinguir dos estados físicos de la vela y que uno de ellos existe a temperatura ambiente y el otro a una temperatura superior. También, que podemos efectuar el cambio de sólido a líquido y viceversa, transformaciones que no alteran la composición de la vela. Unidad 1 El modelo cinético molecular

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Modelo cinético molecular de la materia DESAFÍO ¿Qué es un modelo de la materia?

GLOSARIO El término cinético se refiere a movimiento.

Para conocer y explicar un fenómeno, como los observados en el laboratorio anterior, podemos recurrir a un modelo científico. Un modelo científico corresponde a una representación abstracta, conceptual, gráfi ca o visual de fenómenos con el objetivo de analizarlos, describirlos y explicarlos. Le invitamos a realizar un experimento que le ayudará a plantear algunos postulados del modelo cinético molecular de la materia.

Laboratorio Exploremos el movimiento de las partículas* Desarrollen en grupo la siguiente actividad experimental. 1 Para el siguiente experimento necesita una cubeta de hielo, pequeños trozos de papel (chaya), un vaso, un plato, una cacerola pequeña y refrigerador. 2 2 Mezclen el papel y agua en el vaso. 3 Agreguen la mezcla a la cubeta, teniendo el cuidado que cada receptáculo quede con trozos de papel. 4 Pongan la cubeta en el refrigerador y esperen que se congele la mezcla. 5 Luego, pongan unos cubos de hielo en un plato y obsérvenlos. Teniendo como referencia a los trozos de papel, ¿qué pueden decir respecto del movimiento de las partículas que componen al hielo?

6 Coloquen seis cubos de hielo en la cacerola y comiencen a calentarlos suavemente al fuego. Observen con atención los trozos de papel. 7 De acuerdo a lo observado, ¿qué pueden señalar ahora sobre el movimiento de las partículas que componen al hielo conforme aumenta la temperatura?

8 ¿En qué ayudan los papeles para proponer un modelo cinético molecular de la materia?

* Actividad adaptada del Programa de Estudio de Educación Básica, Ciencias Naturales, Educación de Adultos, página 107.

El modelo cinético molecular de la materia es aquel que explica la estructura, propiedades y transformaciones que experimenta la materia, como la congelación y fusión del hielo observada en el laboratorio anterior. 106

Módulo 4 Un modelo de la materia

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UNIDAD

Las principales ideas del modelo cinético molecular de la materia son: • la materia está constituida por partículas: átomos o moléculas; • las partículas están en continuo movimiento, el cual se relaciona con la energía cinética que tienen y con la temperatura; • existe una determinada distancia entre las partículas; y • entre las partículas hay una fuerza de atracción. Utilizando los postulados anteriores podemos explicar cómo son los diferentes estados físicos de la materia. El estado físico de una sustancia depende de las propiedades de sus partículas, de la fuerza de cohesión entre ellas, de la temperatura y de la presión a la que se encuentra.

Estado sólido Una sustancia se halla en estado sólido cuando las fuerzas de atracción que se ejercen entre sus partículas constituyentes son muy altas. Esta fuerza determina que las partículas estén muy juntas y ordenadas y que, por lo tanto, su movimiento esté restringido solo a la vibración. El modelo explica por qué los sólidos son cuerpos compactos, de forma y volumen definidos. La ilustración muestra una visión microscópica de un sólido (metal), apoyada en el modelo cinético molecular.

Estado líquido Las fuerzas de atracción entre las partículas constituyentes de un líquido les permiten una mayor libertad de movimiento y les confieren un menor ordenamiento que el que hay en un sólido. Este modelo de la materia nos ayuda a entender por qué los líquidos son cuerpos sin forma propia, pero con volumen definido (no aumenta ni disminuye al cambiar de un lugar a otro). La ilustración muestra una visión microscópica de un líquido (agua), apoyada en el modelo cinético molecular.

Estado gaseoso En este estado de la materia las fuerzas de atracción entre las partículas son muy débiles, permitiéndoles una gran movilidad y, por ende, una separación mayor a la que existe en líquidos y sólidos. Este modelo de los gases nos ayuda a entender por qué son cuerpos sin forma propia ni volumen definido, ya que adquieren la forma y el volumen del recipiente que los contienen; por ejemplo, un globo. La ilustración muestra una visión microscópica de un gas (oxígeno) del aire, apoyada en el modelo cinético molecular. Unidad 1 El modelo cinético molecular

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Propiedades de la materia DESAFÍO ¿Qué propiedades caracterizan a sólidos, líquidos y gases?

De acuerdo con el modelo cinético molecular de la materia, los estados físicos se diferencian en el grado de ordenamiento y de libertad de movimiento que tienen las partículas (átomos o moléculas) que los componen. Lo anterior nos permite describir y explicar distintas propiedades que observamos en la materia. Una propiedad corresponde a atributos o características de algo; por ejemplo, la dureza es una característica que tienen algunos metales. Existen propiedades generales, que son comunes a todo tipo de materia, sin importar de qué se trate o en qué estado se encuentre, como la masa, el peso y el volumen. También hay propiedades específicas, las que son propias de ciertos tipos de materia. Analicemos algunas propiedades de sólidos, líquidos y gases.

Forma La forma es la propiedad que se refiere a la configuración externa de algo. Es solo una propiedad de los sólidos, pues los líquidos y los gases no tienen forma propia, sino que adoptan la del recipiente que los contiene.

Este sólido tiene una forma definida, que no cambia a menos que se le aplique una fuerza capaz de deformarlo.

Estos líquidos adoptan la forma de los recipientes que los contienen.

El aire (mezcla de gases) encerrado en estos globos adopta la forma de ellos.

Test Conteste las siguientes preguntas. 1 Para las siguientes sustancias, coloque en el líquido (L) o gas (G) que corresponda.

Plástico

Aceite

la inicial correspondiente al estado físico sólido (S),

Hielo

Vino

2 Explique por qué los globos se inflan con gases y no con un sólido o líquido.

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UNIDAD

Resistencia mecánica y fluidez Otra propiedad importante es la resistencia mecánica, la que se relaciona con la capacidad de los cuerpos de resistir la aplicación de una fuerza sin romperse. Esta propiedad es característica de los sólidos y los diferencia, pues existen materiales que son más duros que otros; por ejemplo, con un martillo podemos romper una taza porque el metal es más duro que la cerámica, es decir, el metal del martillo tiene mayor resistencia mecánica que la cerámica. Tanto la forma de una sustancia como la resistencia mecánica, son propiedades que pueden ser explicadas utilizando el modelo cinético molecular de la materia. Estas propiedades, como también las que veremos más adelante, se relacionan con el grado de ordenamiento y de libertad de movimiento de los átomos o moléculas constituyentes.

El diamante es la sustancia natural más dura.

En los sólidos, las partículas están más ordenadas y con menor libertad para moverse debido a que existe una gran atracción entre los átomos. La estructura que forman los átomos es estable y resistente. Por lo anterior, los sólidos poseen una forma fija y resistencia mecánica. En cambio, los líquidos tienen sus partículas más separadas, con mayor libertad de movimiento, y los gases aún más, haciendo que la forma como la resistencia mecánica no sean propiedades de estos estados de la materia. Sin embargo, poseen otra que esperamos descubra en la siguiente actividad.

Laboratorio Descubramos la fluidez Desarrollen en grupo la siguiente actividad experimental y respondan las preguntas en sus cuadernos. 1 Para esta actividad necesitan: agua, sal fina, sal gruesa, jeringa plástica (sin aguja) y tres tubos transparentes de lápiz pasta. 2 Hagan circular sal gruesa por el interior del tubo de lápiz pasta. 3 Luego, hagan circular sal fina por otro tubo de lápiz pasta. ¿Qué concluyen respecto de la capacidad de circular de los sólidos por tubos estrechos? ¿Podría pasar un trozo de metal? 4 Ahora, hagan circular agua por un tubo de lápiz pasta usando la jeringa. 5 Finalmente, hagan circular aire por un tubo de pasta, simplemente soplando por él. ¿Qué concluyen ahora respecto de la capacidad de circular de líquidos y gases por un tubo estrecho? 6 Den una explicación de los hechos observados apoyándose en el modelo cinético molecular de la materia. ¿Cómo definirían el término fluir?

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Difusión, compresión y expansión En la actividad anterior usted habrá observado que los líquidos y los gases son fluidos, es decir, sustancias que pueden fluir o circular por aberturas muy pequeñas. Esto se explica si consideramos que un líquido o un gas están constituidos por moléculas cuya separación entre sí les permite libertad de movimiento, pudiendo circular con facilidad por conductos o atravesar los poros de un material. Recordemos que el aire, como gas, ocupa todos los espacios. Difusión de un sólido en agua.

Compresión del aire.

Otra propiedad de la materia es la difusión, que consiste en la mezcla gradual de una sustancia en otra. Podemos advertir la difusión cuando destapamos un perfume y sentimos su olor a la distancia o cuando agregamos un sólido coloreado en agua, tal como se muestra en la fotografía. Puede experimentar con la difusión agregando a un vaso con agua unos pocos cristales de un refresco en polvo coloreado. La compresión es una propiedad evidente en los gases, pues solo a una sustancia en ese estado de la materia se le puede reducir el volumen que ocupa. Esta propiedad puede observarla en una jeringa plástica (sin aguja). Para ello, llene de aire la jeringa subiendo el émbolo, luego tape con el dedo la salida inferior y comprima el aire presionando el émbolo, tal como se muestra en la imagen. Considere que el aire es una mezcla de gases que como tales ocupan todo el espacio disponible dentro de la jeringa. ¿Podría hacer lo mismo con un líquido o un sólido? Utilice agua y sal de cocina para estudiarlo. Finalmente, la expansión también es una propiedad evidente solo en los gases, y consiste en aumentar el volumen que ocupa una sustancia o mezcla gaseosa. De la misma forma como verificó la compresión puede hacerlo con la expansión, solo que esta vez debe tirar el émbolo.

Expansión del aire.

Test Conteste las siguientes preguntas. 1 Utilizando el modelo cinético molecular de la materia, explique las propiedades de la materia estudiadas. a) Difusión: b) Compresión: c) Expansión: 2 ¿Por qué solo los gases se pueden comprimir y expandir? Responda apoyándose en el modelo cinético molecular de la materia.

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UNIDAD

Cambios de estado ¿Por qué sale vapor del agua de la tetera cuando hierve? ¿Por qué un hielo se derrite más rápido en la mano que en un vaso vacío? Los cambios de estado que experimenta la materia ocurren con bastante frecuencia en nuestro entorno, muchos en forma natural, otros provocados por el ser humano para su beneficio. Un cambio de estado es la transición de la materia de un estado de agregación a otro sin que ocurra una transformación en la composición de la misma, pero sí en el grado de agitación de sus moléculas o átomos constituyentes. El grado de agitación, la fuerza de atracción que existe entre las moléculas y de libertad de las moléculas de una sustancia se relaciona directamente con la temperatura que tiene. Esto significa que si una sustancia tiene una temperatura de 30 ºC sus partículas constituyentes se mueven más rápidamente que si su temperatura fuese 10 ºC y, menos rápidamente que si fuera de 50 ºC. Lo anterior se representa, más o menos, en las siguientes ilustraciones.

10 ºC

30 ºC

50 ºC

DESAFÍO ¿Cómo se explica un cambio de estado con el modelo cinético molecular?

GLOSARIO Calor es la energía que se transfiere espontáneamente entre dos cuerpos que se encuentran a distinta temperatura y en contacto, desde el que está a mayor temperatura hacia el de menor temperatura y hasta que la igualan; por ejemplo, entre el aire y una sustancia.

Podemos explicar un cambio de estado de la siguiente manera. Si tenemos un sólido y lo calentamos sus moléculas comienzan a incrementar su movimiento progresivamente y, por ende, su temperatura. Con el calentamiento se está transfi riendo calor (energía), el que es absorbido por las partículas del sólido. En determinado momento, se alcanza el cambio de estado de fusión, el sólido se transforma en líquido. En este punto la temperatura se mantiene constante, pero sigue produciéndose absorción de calor. Si se continúa calentando, el líquido obtenido puede alcanzar un nuevo cambio de estado, la evaporación, en el que se transforma en gas. En los procesos opuestos las sustancias liberan energía. En el siguiente esquema se representa algunos de los cambios de estado y su relación con la energía: Fusión

Evaporación

(Absorbe energía)

Sólido

(Absorbe energía)

Líquido Solidificación (Libera energía)

La congelación del agua se utiliza para producir hielo, el que sirve para conservar alimentos.

Gas Condensación (Libera energía)

En síntesis, cuando ustedes hiervan agua en una olla tapada, ¿qué pasa con las moléculas? Dialoguen y expliquen lo sucedido a partir del modelo estudiado. Unidad 1 El modelo cinético molecular

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La materia ejerce presión DESAFÍO ¿Cómo se explica la presión con el modelo cinético molecular?

El término “presión” es usado cotidianamente; por ejemplo, cuando se abre una botella o lata de bebida gaseosa y se siente un ruido, se atribuye el sonido a la presión del gas disuelto en el líquido. Lo mismo sucede cuando se destapa una botella de champaña: el corcho sale disparado y decimos que es por efecto de la presión del gas acumulado en su interior. A lo mejor usted tiene una idea de qué es la presión y basada en ella le invitamos a responder las siguientes preguntas. 1 ¿Para qué es necesario que los alfileres o clavos sean puntiagudos?

2 ¿Por qué los tirantes de una mochila deben ser anchos?

Seguramente en las preguntas anteriores se ha referido al concepto de fuerza o al de superficie. Y esto porque justamente la presión (P) es la fuerza (F) que ejerce un cuerpo sobre una determinada área (A). Matemáticamente se expresa de la siguiente manera:

P =

F A

De acuerdo con este enunciado, la presión ejercida por un cuerpo en una superficie es mayor si el área sobre la que actúa es menor y viceEl champán es una bebida que versa. También podemos deducir que la presión será mayor o menor contiene una sustancia gaseosa según la magnitud de la fuerza que se ejerza sobre un área determinadisuelta. da. Por ejemplo, con los alfileres o los clavos se puede ejercer mayor presión sobre una superficie e introducirse fácilmente sobre ella porque son aguzados (puntiagudos) y actúan sobre una reducida área; por el contrario, con los esquís se puede ejercer menor presión sobre la nieve y evitar sumergirse en ella porque son largos y actúan sobre una gran superficie.

Si un objeto requiere ser clavado, debe tener su punta aguzada. 112

¿Qué sucedería si en vez de esquís se usaran en la nieve un par de zancos?

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UNIDAD

Los gases también ejercen presión Imagine que tiene un gas encerrado en un recipiente; por ejemplo, una jeringa. De acuerdo con el modelo cinético molecular de la materia, un gas está constituido por partículas de reducido tamaño que se mueven en todas direcciones. Esto ocasiona que dichas partículas choquen entre sí y con las paredes del recipiente. En otras palabras, el gas ejerce presión sobre las paredes internas de la jeringa. Por lo tanto, la presión de un gas consiste en el resultado de la fuerza que ejercen todas las partículas al chocar contra las paredes internas del recipiente que los contiene. Desde un punto de vista macroscópico, la presión es constante debido a la enorme cantidad de moléculas que chocan contra las paredes del recipiente. Sin embargo, a escala microscópica, la presión varía a cada instante. ¿Qué ocurre si se calienta un cilindro o balón de gas? ¿Por qué? Seguramente en más de una oportunidad ha puesto atención en la advertencia que se hace de no exponer a altas temperaturas los envases que contienen un gas propulsor, como los desodorantes ambientales y las pinturas en spray. Esto nos sugiere que existe una relación entre la presión de un gas y su temperatura. Encontremos una explicación a este fenómeno con la siguiente investigación.

La presión del aire mantiene tensada una pelota de playa.

Para investigar Exploremos la presión y el gas En grupos de cuatro integrantes, investiguen sobre el peligro de calentar un gas contenido en un recipiente cerrado de manera hermética y, por el contrario, qué sucedería si se le somete a bajas temperaturas. Los resultados de su investigación preséntenlos al curso en un esquema, en el que se señale la relación entre temperatura, movimiento de átomos o moléculas y presión. A modo de medición de sus conocimientos previos, dibuje cómo es el movimiento de las moléculas de un gas bajo las condiciones siguientes: Alta temperatura

Baja temperatura

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Temperatura, presión y volumen de un gas GLOSARIO El término directamente proporcional nos indica que ambas variables aumentan o disminuyen en la misma proporción y el de inversamente proporcional que mientras una variable aumenta la otra disminuye en la misma proporción y viceversa. Menor presión

Mayor presión

Representación de la relación presión-temperatura de un gas.

Estas tres propiedades son las que caracterizan el estado de un gas. Son variables (magnitud que cambia con efecto de otra) que se relacionan entre sí y que se ajustan a los postulados del modelo cinético molecular de la materia. Para estudiar cómo afectan estas tres variables el comportamiento de un gas es necesario analizar la relación de dos de ellas y mantener constante a la tercera. a) El volumen de un gas es inversamente proporcional a su presión si se mantiene constante la temperatura. Esta relación la puede observar si mantiene cierto volumen de aire encerrado en una jeringa, cuyo extremo inferior está tapado y, luego, presiona el émbolo: el volumen de aire disminuye al aumentar la presión y viceversa. b) El volumen de un gas es directamente proporcional a su temperatura si se mantiene constante la presión. Esta relación la puede observar de forma sencilla si coloca un globo inflado con aire primero en el refrigerador y luego al Sol: el volumen de aire disminuye si la temperatura lo hace y viceversa. c) La presión de un gas es directamente proporcional a la temperatura si se mantiene constante el volumen. Esta relación se puede observar en el funcionamiento de una olla a presión: el vapor de agua aumenta su presión con la temperatura y viceversa (cuando se apaga la llama y comienza a enfriarse). Las relaciones descritas anteriormente pueden ser explicadas con el modelo cinético molecular de la materia; por ejemplo, si se aumenta la temperatura de un gas, se incrementa la energía cinética de sus partículas, es decir, el movimiento y por consecuencia, la presión. ¿Cómo explicaría las otras relaciones?

Test Conteste las siguientes preguntas. 1 ¿Qué estado físico se asocia a un menor grado de ordenamiento de las partículas? 2 Para que el agua líquida se solidifique, ¿debe absorber o liberar energía? Explique.

3 ¿Cómo se explica con el modelo cinético molecular la presión que ejerce un gas?

4 ¿Qué indica la temperatura de una sustancia? 5 Según el modelo cinético molecular, ¿por qué aumenta la presión de un gas al incrementar su temperatura?

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Síntesis A modo de resumen de la Unidad 1, complete el siguiente mapa conceptual. Compare su trabajo con el de sus compañeros o compañeros de curso.

Materia

cuya estructura y fenómenos se explican por el

Modelo cinético molecular como

Cambios de estado

como

los que son

Sólido cuyas partículas tienen MAYOR

Gas cuyas partículas tienen MENOR

que ocurren a consecuencia de

cuyas partículas tienen POCO

Presión

Temperatura

que es la

Grado de orden y MENOR

y MAYOR

Libertad de movimiento

Liberación y MAYOR

Libertad de movimiento

por unidad de de

Área ejercida por

Para profundizar 1 http://www.visionlearning.com/library/module_ viewer.php?mid=120&l=s (Apoyo a los contenidos: estados de la materia). 2 http://www.educa.madrid.org/binary/429/files594/ pag-3.htm (Apoyo a los contenidos: modelo cinético molecular de la materia). 3 http://www.profesorenlinea.cl/fisica/ MateriaCambiosFisicos.htm (Apoyo a los contenidos: cambios de estado).

4 http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_ iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/ estados/cambios.htm (Apoyo a los contenidos: animación cambio de estado). 5 http://www.juntadeandalucia.es/averroes/ recursos_informaticos/andared02/leyes_gases/ (Apoyo a los contenidos: leyes de los gases).

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EVALUACIÓN Resuelva cada pregunta y compare los resultados de su trabajo con el de sus compañeros y compañeras y consulte a su profesor o profesora las dudas que tengan. Trabaje aquellos temas que necesita fortalecer. 1 Indique el estado físico en que se encuentran las sustancias o mezclas.

2 Responda las siguientes preguntas apoyándose en el modelo cinético molecular de la materia: a) ¿Por qué los sólidos no se pueden comprimir?

b) ¿Cómo puede probar que las partículas de los gases poseen mayor libertad de movimiento que las de los otros estados físicos?

c) ¿Por qué los líquidos no tienen forma propia? d) ¿Qué estados de la materia son fluidos y por qué?

e) ¿Por qué motivo los sólidos presentan resistencia mecánica y los otros estados no?

3 Realice un dibujo de los estados de la materia según lo describe el modelo cinético molecular de la materia.

4 ¿Cómo se llama el cambio de estado de gas a líquido? Describa brevemente cómo ocurre.

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5 ¿Qué sucede con las partículas de una sustancia sólida si se calienta?

6 Los gases sometidos a gran presión pueden licuarse, es decir, pasar al estado líquido. Un ejemplo es el gas licuado que se vende para consumo doméstico. Al respecto: a) ¿Con qué objetivo se licúa el gas? b) ¿Qué explicación tiene este fenómeno?

c) ¿Qué sucede con este combustible licuado cuando sale del balón? 7 Explique en qué consiste la presión.

8 Observe las imágenes. ¿Qué taco ejerce una mayor presión sobre el piso? ¿Por qué?

9 De acuerdo a la siguiente situación: se coloca un globo en la boca de una botella plástica, afirmándolo con un elástico. Luego, se pone todo el sistema en un baño de agua caliente. Explique, ¿qué sucederá?

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UNIDAD

Algunas propiedades de la materia

DESAFÍO xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Paraxxxxxxx comenzar

Realice la siguiente actividad junto con un compañero o compañera. Respondan las preguntas en su cuaderno. 1 Dispongan de una piedra pequeña, agua en un vaso y aire encerrado en un globo. 1

2 Coloquen la piedra en un lugar de la mesa. Luego, pongan el vaso con agua en el lugar que ocupa la piedra. ¿Pueden hacerlo sin que tengan que mover la piedra? ¿Qué explicación pueden dar? 3 Ahora, echen la piedra al vaso con agua. ¿Qué sucede con el nivel del agua? ¿Por qué ocurre? 4 Luego, pongan un vaso vacío y seco en el platillo de una balanza. Pidan instrucciones para su uso. Anoten el valor indicado en la balanza. A continuación, pongan agua en el vaso y colóquenlo en el platillo de la balanza. ¿Cambió el valor que se muestra en la balanza? ¿Qué propiedad de la materia están midiendo con la balanza? 5 Finalmente, retiren el vaso de la balanza y pongan el globo. Anoten el valor que aparece en la balanza. Luego, permitan la salida del aire del globo y vuelvan a colocar el globo en la balanza. Registren los cambios y elaboren una explicación.

Aprendizajes esperados En esta unidad, usted trabajará para conseguir los siguientes aprendizajes: 1 Determinar el volumen de un cuerpo, relacionándolo al espacio que este ocupa. 2 Reconocer la densidad como una propiedad de la materia, asociándola con la relación entre masa y volumen.

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UNIDAD

El volumen Todos los cuerpos ocupan un espacio. ¿Se había dado cuenta de esa propiedad de la materia? Por ejemplo, ¿cuántas veces ha guardado objetos en un cajón o en un bolso? ¿Puede colocar la cantidad que quiera o existe un límite?

DESAFÍO ¿Cómo medimos el volumen de un cuerpo?

La magnitud que indica el espacio que ocupa un cuerpo, ya sea sólido, líquido o gaseoso, se llama volumen. Es una propiedad general de la materia, es decir, la posee todo tipo de sustancia. Para medir esta propiedad se utilizan distintos instrumentos o procedimientos, dependiendo del estado de agregación en que se encuentre la materia.

Volumen de sólidos regulares En el caso de los sólidos, podemos distinguir dos clases: sólidos regulares y sólidos irregulares, cuya diferencia principal es la forma. Comencemos nuestro estudio experimental con el primer tipo de sólidos. Realícelo con su grupo de trabajo. Sólido regular.

Sólido irregular.

Laboratorio Midamos sólidos regulares Desarrollen en grupo la siguiente actividad experimental. 1 Para esta actividad necesitan los siguientes materiales: regla de 30 cm, un dado, una caja de fósforo pequeña y otra grande, una caja de leche y un tarro de café pequeño. 2 Comiencen midiendo las dimensiones (largo, ancho y alto) del cubo. ¿Qué expresa el producto de las dimensiones de este cuerpo? 3 Midan las dimensiones de los otros cuerpos y escríbanlas en la tabla. Calculen el volumen.

Objetov

Largo

Ancho

Alto

Volumen

Largo Ancho Alto Volumen 4 Según sus observaciones, ¿cómo calcularían el volumen del tarro (corresponde a un cilindro)? ¿Cuál es su volumen, entonces?

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GLOSARIO Las unidades de medida son magnitudes de valor conocido y perfectamente definido que se usa como referencia para medir. Un cm3 es proximadamente igual a un mL. Un mL es la milésima parte de un L.

Volumen de sólidos irregulares A los sólidos estudiados en la página anterior, de forma regular, se les puede determinar el volumen aplicando una fórmula matemática, previa medición de las dimensiones que posee. En este caso la unidad de medida es cm3. Sin embargo, para los sólidos irregulares no hay fórmula que nos ayude a saber el volumen que ocupa. Para poder determinarlo se recurre a un procedimiento que le invitamos a descubrir en la siguiente actividad junto con su grupo de trabajo.

Laboratorio Midamos sólidos irregulares* Desarrollen en grupo la siguiente actividad experimental. 1 Para esta actividad necesitan los siguientes materiales: una probeta de 100 mL, un dado, una regla, agua, objetos pequeños de forma irregular, como piedras, sacapuntas, entre otros. cm3. 2 Midan las dimensiones del dado y calculen su volumen. Anótenlo. 3 Observen la probeta y pidan instrucciones a su profesor o profesora sobre cómo se utiliza. ¿Cuánta agua pueden introducir en la probeta hasta la marca de 100 mL? 4 Coloquen el dado en el interior de la probeta. ¿Cuánta agua pueden introducir ahora a la probeta hasta la marca de 100 mL? ¿Por qué? 5 Basado en la experiencia anterior, realicen el siguiente procedimiento para determinar el volumen de los objetos pequeños. 6 Coloquen agua en la probeta hasta la marca de 50 mL. Consideren este valor como volumen inicial. 7 A continuación introduzcan en la probeta, con cuidado para evitar salpicaduras, uno de los objetos pequeños. Observen el nivel del líquido. Esta vez anoten el valor del nivel como volumen final. 8 Realicen la diferencia entre el volumen final y el volumen inicial. ¿A qué corresponde este valor calculado? 9 Registren en la tabla los datos reunidos y el volumen calculado. Objeto

Volumen inicial (mL)

Volumen final (mL)

Vf - Vi (mL)

* Actividad adaptada del Programa de Estudio de Educación Básica, Ciencias Naturales, Educación de Adultos, página 113.

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UNIDAD

Volumen de líquidos Un líquido es un fluido, cuyo espacio que ocupa se mide con distintos recipientes especiales, según el propósito que se tenga. Existen varias unidades de medida útiles para determinar el volumen de líquidos dentro de un recipiente, pero las más conocidas y cotidianas son el litro (L) y el metro cúbico (m3). Marca de aforo.

Un recipiente es un utensilio que puede contener un líquido o un sólido, como una taza, un frasco o un vaso, entre muchos otros. Se utilizan dos tipos de recipientes para medir el volumen de líquidos. Uno de ellos es el que tiene una marca o aforo, la que indica el volumen de líquido que puede contener hasta ella. Un ejemplo de estos recipientes es el matraz volumétrico, de los que hay de distintas capacidades.

GLOSARIO La capacidad es la propiedad de los recipientes de contener cierto volumen de una sustancia o una mezcla líquida.

Matraz volumétrico conteniendo 100 mL de un líquido.

El otro tipo de recipientes son los graduados, los que tienen una escala graduada que indica diferentes volúmenes de líquido que son capaces de contener. Ejemplos de ellos son la probeta, la que usó en el laboratorio de la página anterior, el vaso precipitado, la bureta y la pipeta graduada. También existen recipientes graduados de distintas capacidades. En sus hogares, también encontrará recipientes para medir el volumen de los líquidos; por ejemplo, jarros de jugo, mamaderas, envases de bebidas gaseosas, etcétera. Vaso precipitado y probeta con sus escalas graduadas.

Laboratorio Midamos el volumen de los líquidos Desarrollen en grupo la siguiente actividad experimental.

1 Soliciten a su profesor o profesora instrumentos para medir el volumen de líquidos, como matraces volumétricos, vasos de precipitado, probetas y pipetas. Observen la marca de aforo o la escala graduada que tengan. ¿Qué unidad de medida se utiliza en ellos? 2 Pidan al profesor o profesora una probeta en la que puedan medir 100 mL de agua. Para hacerlo, agreguen agua hasta por debajo de la marca de 100 mL, luego adicionen agua gota a gota hasta alcanzar dicha marca. La lectura de la escala graduada se debe realizar según se muestra en la imagen contigua. Dicha lectura indica la capacidad del recipiente hasta la marca, que coincide con el volumen del líquido. 3 Este volumen medido, ¿será igual en otro recipiente? Prueben vaciando el agua de la probeta en un vaso de precipitado de capacidad suficiente.

En la lectura de la escala graduada pueden haber errores atribuibles al observador, pero también a los instrumentos que se utilizan. Converse sobre ellos con su profesor o profesora y con sus compañeros y compañeras. Unidad 2 Algunas propiedades de la materia

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Características del volumen DESAFÍO ¿El volumen de un líquido es aditivo?

En la página anterior se hizo la distinción entre volumen y capacidad. Al respecto, podemos afirmar que toda materia posee volumen, pero no capacidad, pues solo los recipientes la poseen; por ejemplo, una hoja de papel tiene volumen, pero no capacidad. También aprendimos que no podemos exceder la capacidad de los recipientes agregando la cantidad de líquido que queramos. Lo anterior, nos lleva a deducir que el volumen es una propiedad variable para una sustancia. ¿En qué sentido? Por ejemplo, si se tiene en una taza 200 mL de agua y se agrega más de este líquido al recipiente, entonces aumenta su cantidad y, obviamente, el volumen que ocupa. Debido a lo anterior, el volumen es una propiedad extensiva de la materia, es decir, depende de la cantidad de materia. En la siguiente actividad usted estudiará otro aspecto del volumen. Luego, ponga a prueba sus conocimientos.

Laboratorio Midamos el volumen de un líquido Desarrollen en grupo la siguiente actividad experimental y respondan las preguntas en sus cuadernos. 1 Para esta actividad necesitan: dos probetas de 100 mL de capacidad, arena fina y agua. 2 Coloquen en cada probeta 50 mL de agua. ¿Qué sucederá respecto del volumen resultante al verter (o vaciar) el líquido de una probeta en la otra? Escriban su predicción. 3 Ahora viertan el agua de una probeta en la otra y midan el volumen resultante. ¿Qué conclusión obtienen? 4 Repitan la actividad anterior, pero esta vez coloquen 50 mL de arena en una probeta y 50 mL de agua en la otra. ¿A qué conclusión llegan esta vez?

Test Conteste las siguientes preguntas. 1 Calcule el volumen de los siguientes cuerpos. a) Cubo de 3 cm por lado: b) Tarro de leche de radio de 10 cm y altura de 25 cm: c) Caja de galletas de ancho de 10 cm, largo de 25 cm y alto de 8 cm: 2 Indique cómo determinaría el volumen de una piedra de tamaño similar a un dado.

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UNIDAD

La masa Otra de las propiedades de la materia es la masa. Consiste en la cantidad de materia que posee un cuerpo.

DESAFÍO ¿Qué tiene más masa, un kilogramo de plumas o un kilogramo de acero?

La masa es una propiedad que se puede medir con un instrumento llamado balanza y se expresa en muchas unidades, pero la más conocida y recomendada es el kilogramo (kg). Esta unidad de medida se le llama erróneamente “kilo”, un prefijo que significa 1000. Cuando hablamos de un kilogramo nos referimos a mil gramos, según: 1 kg = 1000 g

A su vez, la unidad de gramo (g) se divide en mil y resulta el miligramo (mg): 1 g = 1000 mg

La utilización de estas unidades de medida dependerá de la masa del cuerpo a medir; por ejemplo, si se necesita medir la masa de una manzana o un lápiz, se utiliza el gramo; si se trata de una persona, se expresa en kilogramo. El miligramo es una unidad que se usa para masas muy pequeñas, como las de los medicamentos. Para medirlas se usan balanzas muy sensibles.

Balanza digital.

En la siguiente actividad usted y sus compañeros y compañeras de curso pueden determinar la masa de varios objetos usando una balanza.

Laboratorio Midamos la masa Desarrollen en grupo la siguiente actividad experimental. 1 Para esta actividad necesitan: una balanza, una probeta de 100 mL y diversos objetos pequeños, como lápiz, goma, vaso, etc. Previamente infórmense de la capacidad de la balanza para no ocasionarle un daño por exceso, así como de la unidad en la que mide y de los ajustes necesarios del instrumento antes de la medición. 2 Midan la masa de cinco objetos diferentes. Regístrenlas en una tabla, ordenadas de menor a mayor masa. 3 Ahora coloquen un vaso en el platillo de la balanza. ¿Qué masa tiene el vaso? 4 Midan con la probeta 50 mL de agua y agréguenla al vaso que tienen en la balanza (tengan precaución de no mojarla) ¿Qué sucedió con el valor que muestra la balanza? ¿Qué explicación pueden dar? 5 Midan la masa de dos objetos colocados a la vez. Registren su valor. Luego, retiren uno de ellos del platillo de la balanza. ¿Qué indica ahora la balanza? ¿Qué explicación dan?

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La actividad anterior les permite concluir que la masa es factible de ser medida con un instrumento y que todos los objetos que colocaron en el platillo la presentaron. Por lo tanto, podrían afirmar que es una propiedad de la materia, pues las pruebas que realizaron, colocar un objeto sobre otro o retirar uno del platillo, siempre ocasionaron un cambio en el valor de la balanza, aumentándolo o disminuyéndolo, respectivamente. Tal como el volumen, la masa es una propiedad general de la materia. Si aplicamos el modelo cinético molecular podemos entender estas propiedades. Un cuerpo ocupa espacio y tiene masa porque cada una de sus partículas constituyentes tiene volumen y masa.

Cualquier cuerpo (porción de materia) tiene volumen y masa.

Habíamos afirmado que el volumen es una propiedad extensiva de la materia, es decir, que depende de la cantidad de materia. ¿Y la masa lo es? Realice la siguiente actividad para probarlo o rechazarlo.

Laboratorio Midiendo la masa Desarrollen en grupo la siguiente actividad experimental. 1 Para esta actividad necesitan: una balanza, vaso de precipitado de 250 mL y varios objetos pequeños similares; por ejemplo, bolitas de vidrio. 2 Enciendan la balanza. Pongan el vaso sobre el platillo. Registren su masa y anótenla. 3 Agreguen una bolita al vaso de precipitado. ¿Cuál es la masa de la bolita? ¿Cómo la determinan? 4 Adicionen otra bolita al vaso y registren la masa del conjunto. Determinen la masa de las dos bolitas. 5 Repitan la acción hasta completar 10 bolitas en el vaso de precipitado. Registren los valores en la siguiente tabla. Cantidad de bolitas

Masa (g)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

6 ¿Es la masa una propiedad extensiva de la materia? Expliquen.

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UNIDAD

¿Masa o peso? Estos dos conceptos se utilizan generalmente como sinónimos; por ejemplo, cuando las personas se suben a una balanza dicen que se están pesando, en circunstancias que con ella determinan su masa. Como se afirmó en la página anterior, la masa es la cantidad de materia que posee un cuerpo. En tanto, el peso es la fuerza de atracción que la Tierra ejerce sobre un cuerpo. En consecuencia, la masa es una propiedad de la materia y el peso es una interacción entre dos cuerpos, o sea una fuerza que actúa entre un cuerpo y la Tierra que se conoce como fuerza de gravedad. Esta fuerza actúa constantemente sobre los cuerpos, atrayéndolos hacia el centro del planeta. La fuerza de gravedad la podemos experimentar en acciones tan sencillas como caminar, saltar o lanzar un objeto al aire. ¿Es la fuerza de gravedad igual en cualquier parte de nuestro planeta? ¿Cómo es la fuerza de gravedad en la Luna? La siguiente investigación le puede ayudar a encontrar una respuesta.

Los objetos caen o están en contacto con el suelo debido a la fuerza de gravedad.

Para investigar Masa y peso de los astronautas Investiguen en grupo por qué los astronautas flotan en el espacio exterior. ¿No poseen masa o peso? ¿Qué sucede con la masa y el peso de un astronauta en la Luna? Los resultados de su investigación los pueden presentar al curso mediante un esquema o dibujo. La masa y el peso se relacionan estrechamente. Mientras mayor es la masa de un cuerpo, mayor es su peso y viceversa. Lo anterior porque, según la ley de gravedad, enunciada por el científico inglés Isaac Newton (1642-1727), “todos los cuerpos se atraen entre sí con una fuerza que depende de sus masas y de la distancia a la que se encuentran”. Podemos deducir tres ideas principales de este enunciado: el peso de un cuerpo depende de su masa; la fuerza que ejerce la Tierra sobre los cuerpos es mayor que la que ejercen ellos sobre el planeta, por esta razón se dice que los cuerpos caen; y mientras mayor es la distancia entre un cuerpo y el centro del planeta, menor es la fuerza de atracción.

Test Complete las siguientes frases. Un objeto es más pesado que otro porque tiene mayor .

La balanza mide la cantidad de de un cuerpo.

La unidad de medida de la masa es el

Unidad 2 Algunas propiedades de la materia

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La densidad DESAFÍO ¿Por qué algunos materiales flotan y otros se hunden en el agua?

La masa y el volumen se relacionan estrechamente en otra propiedad, una que es específica de la materia, es decir, cada sustancia posee un valor característico. Se le conoce con el nombre de densidad. En la siguiente actividad podrá medir la masa de distintos volúmenes de agua, lo que le ayudará a definir y comprender el concepto de densidad. Realícela con su grupo de trabajo.

Laboratorio Descubramos la densidad Desarrollen en grupo la siguiente actividad experimental. 1 Para esta actividad, necesitan los siguientes materiales: balanza, agua destilada y probeta de 100 mL. Fenómenos como el de la fotografía pueden ser explicados mediante el concepto de densidad.

2 Enciendan la balanza y realicen los ajustes necesarios para su utilización. Coloquen la probeta en el platillo y determinen su masa. Regístrenla con la unidad que corresponda: 3 Saquen la probeta de la balanza y agreguen agua en ella hasta la marca de 20 mL. Colóquenla nuevamente en la balanza. Determinen la masa de la probeta más el agua. Calculen la masa de los 20 mL de agua. 4 Retiren la probeta de la balanza y ahora agreguen agua en ella hasta la marca de 40 mL. Determinen la masa de la probeta más el agua y calculen la masa de los 40 mL de agua. 5 Vuelvan a repetir el procedimiento para determinar la masa de 60, 80 y 100 mL de agua. Registren en la tabla sus resultados. Masa (g)

Volumen (mL)

Masa/Volumen (g/mL)

20 40 60 80 100

6 Calculen la razón masa/volumen para cada una de sus mediciones y escriban los resultados en la tabla. ¿Qué conclusión obtienen?

7 ¿Qué masa tiene 1 mL de agua? ¿Cómo se denomina esta relación?

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UNIDAD

La densidad es la relación entre la masa y el volumen de un cuerpo. Se define como la cantidad de materia que hay en una unidad de volumen; por ejemplo un mililitro (mL) o un centímetro cúbico (cm3). Matemáticamente la densidad (d) corresponde al cuociente entre la masa (m) de una porción de materia y el volumen (V) que ocupa: d=m V

En la actividad de la página anterior usted determinó la densidad de un líquido, el agua, midiendo la masa de un volumen determinado. El cálculo le llevó a determinar que la densidad del agua es aproximadamente igual 1 g/mL. Este valor nos indica que la masa de 1 mL de agua es igual a 1 g. También usted habrá deducido que la densidad es un valor que no de- El mercurio es un metal líquido de pende de la cantidad de materia. A diferencia de la masa y del volumen, densidad igual a 13,6 g/mL. ¿Qué significa este valor? la densidad es una propiedad intensiva. Sin embargo, la densidad no es un valor constante, depende de la temperatura. En general, la densidad de una sustancia disminuye si la temperatura aumenta y viceversa. Según esto, el estado sólido de una sustancia tiene mayor densidad que su estado líquido y este que su estado gaseoso. Para encontrar una explicación a este fenómeno, podemos recurrir al modelo cinético molecular. En el estado sólido las partículas están más próximas que en los otros estados de la materia, por lo tanto, la materia está más condensada, es decir, ocupa un menor espacio. El esquema siguiente facilitará la compresión.

SÓLIDO Mayor masa por unidad de volumen Densidad sólido

LÍQUIDO

Focas que nadan en el agua, bajo una capa de hielo.

Densidad líquido

GAS Menor masa por unidad de volumen Densidad gas

El agua es una sustancia que no se ajusta a esta regla, pues el estado sólido (hielo) posee menor densidad que el estado líquido. Por eso, el hielo flota en el agua. Este hecho tiene una gran importancia para la vida acuática, pues en los ambientes marinos y donde la temperatura es baja, el agua que se congela permanece en la superficie, constituyendo un aislante que protege a los seres vivos acuáticos de la inclemencia del tiempo invernal y evita que la masa de agua se congele por completo. Unidad 2 Algunas propiedades de la materia

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La densidad, una propiedad específica Cada sustancia tiene sus características propias que permiten diferenciarlas unas de otras. A tales características se les conoce como propiedades específicas y la densidad es una de ellas. También lo son la dureza, el punto de fusión, el punto de ebullición, etcétera. La siguiente actividad les permitirá determinar la densidad de distintas sustancias líquidas. Llévela a cabo con su grupo de trabajo. Una forma de diferenciar el cobre del aluminio es mediante la densidad. El cobre (8,3 g/cm3) es un metal mucho más denso que el aluminio (2,7 g/cm3).

Laboratorio

1 2 3 4 5 6

¿Qué líquido es más denso? Desarrollen en grupo la siguiente actividad experimental. Respondan las preguntas en sus cuadernos. Para esta actividad necesitan: una balanza, una probeta de 100 mL, agua destilada, alcohol, aceite y acetona. Enciendan la balanza y realicen los ajustes necesarios en ella para su utilización. Coloquen en el platillo de la balanza la probeta de 100 mL. Registren su masa. Luego, agreguen agua a la probeta hasta la marca de 50 mL. Determinen la masa de la probeta más el agua. Calculen la masa de los 50 mL de agua. Registren sus resultados en la tabla de más abajo. Retiren la probeta de la balanza y agreguen agua hasta la marca de 100 mL. Determinen la masa de la probeta más el agua. Calculen la masa de los 100 mL de agua. Repitan los pasos 3, 4 y 5 para los otros líquidos. Registren en la tabla sus resultados y calculen la densidad para cada líquido. Líquido

Masa (g)

Agua Alcohol Aceite Acetona

Volumen (mL)

Masa/Volumen (g/mL)

Promedio densidad (g/mL)

50 100 50 100 50 100 50 100

7 Para un mismo volumen, ¿cuál líquido tiene mayor masa? Ordenen los líquidos según valor de densidad creciente. 8 ¿Qué sucede si agrega al agua un líquido inmiscible (que no se mezcla), como el aceite? Comprueben y expliquen sus inferencias. 9 Agreguen al agua un sólido de densidad mayor (metal) y otro de densidad menor (plumavitMR). ¿Qué sucede? 10 ¿Qué condiciones debe cumplir un cuerpo para que flote o se hunda en el agua? 128

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Síntesis

A modo de resumen de la Unidad 2, complete el siguiente mapa conceptual. Compare su trabajo con el de sus compañeros o compañeras de curso. Materia posee propiedades como y

Volumen

que puede ser determinada con una

que constituye el espacio que ocupa un

Balanza

Cuerpo

haciendo uso de

que puede ser determinado por diversas

se relacionan en la

Unidades de medida para

como

Sólidos utilizando

Regulares por medición de sus

Recipientes

por

Desplazamiento de agua

con

Escala graduada

Para profundizar 1 http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd98/Fisica/01/ fisica-01.html (Apoyo a los contenidos: la materia). 2 http://www.rena.edu.ve/SegundaEtapa/ tecnologia/volumenm.html (Apoyo a los contenidos: masa, volumen y densidad). 3 http://www.profesorenlinea.cl/fisica/Materia1. htm (Apoyo a los contenidos: la materia).

5 http://www.educared.net/aprende/anavegar5/ podium/images/B/1563/presentacion_materia. htm (Apoyo a los contenidos: la materia). 6 http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_ iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/ propiedades/densidad.htm (Apoyo a los contenidos: densidad).

4 http://www.iesaguilarycano.com/dpto/fyq/mat/ densidad.htm (Apoyo a los contenidos: densidad).

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EVALUACIÓN

Resuelva cada pregunta y compare los resultados de su trabajo con el de sus compañeros y compañeras y consulte a su profesor o profesora las dudas que tenga. Trabaje aquellos temas que necesita fortalecer. 1 Determine el volumen que ocupan los siguientes cuerpos, cuyas medidas son: Objeto

Largo (cm)

Ancho (cm)

Alto (cm)

Volumen

2 Determine el volumen que ocupan los siguientes cuerpos cilíndricos, cuyas medidas son: Objeto

Altura (cm) 110

Radio (cm)

Volumen (cm3)

1,5

3 A los siguientes cuerpos se les determinó el volumen por desplazamiento de agua. Los resultados de las mediciones se muestran en la tabla. Calcule el volumen para cada uno de ellos. Objeto

130

Volumen inicial (mL)

Volumen final (mL)

5,0

5,5

25,0

27,8

Volumen (mL)

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4 Señale si los valores indican la masa o el volumen del cuerpo.

150 g

200 mL

1,5 L

52 kg

5 Calcule la densidad de los siguientes cuerpos. Objeto

Masa (g)

Volumen (cm3)

1950

250

965

7120

800

Densidad

Cadena de acero

Monedas de oro

Tubería de cobre

¿Cuál de ellos tiene mayor masa por cm3? 6 ¿Cuál(es) de las siguientes sustancias flota(n) en el agua y cuál(es) se hunde(n)? Explique por qué. Objeto

Densidad (g/cm3)

Hielo

0,92

Aluminio

2,7

Latón

8,6

Plata

10,5

Plomo

11,3

Unidad 2 Algunas propiedades de la materia

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MÓDULO

5 1

Átomos, moléculas y reacciones químicas

Para trabajar en grupos Respondan en parejas las siguientes preguntas y, luego, comenten con el curso sus respuestas. 1 ¿Qué le ha sucedido a esta pieza metálica? 2 ¿Creen que es un cambio permanente? ¿Por qué? 3 ¿Qué origina el cambio observado en esta pieza de metal? 4 ¿Cómo podemos evitar este cambio? 5 ¿Han observado este cambio en otros lugares? ¿En qué se relaciona con el observado en la fotografía?

132

Módulo 5 Átomos, moléculas y reacciones químicas

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UNIDAD

La teoría atómica y las reacciones químicas

Factores que afectan a las reacciones químicas

Objetivos Fundamentales Se espera que al término del Módulo 5, usted haya desarrollado la capacidad de: 1 Reconocer que en las reacciones químicas se produce un diferente modo de unión de los átomos y que la energía puesta en juego se relaciona con la ruptura y formación de enlaces químicos entre los átomos. 2 Reconocer que la velocidad de una reacción química depende de la temperatura y de la concentración de los reactantes.

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UNIDAD

Para comenzar

La teoría atómica y las reacciones químicas Observe, junto con un compañero o compañera, la siguiente imagen y, luego, describa lo que ve. A continuación, realicen la actividad y respondan las preguntas.

En la fotografía se muestra un cristal de cloruro de sodio, compuesto conocido comúnmente como sal. Imagine que tiene la posibilidad de dividir en mitades el sólido de la imagen. 1 ¿Creen que podrían hacerlo de manera indefinida, es decir, dividir cada fracción del sólido por muy pequeña que sea? ¿Por qué? 2 Si por el contrario, piensan que es imposible dividir el sólido de forma indefinida, ¿cuál sería la razón? 3 Hagan un debate en el curso sobre ambas posturas y adopten una de ellas justificándola frente a su profesor o profesora.

Aprendizajes esperados En esta unidad, usted trabajará para conseguir los siguientes aprendizajes: 1 Comprender la noción de átomo como unidad estructural de la materia. 2 Caracterizar las diferentes sustancias presentes en la naturaleza y sus propiedades, como resultado de la combinación de un número limitado de átomos. 3 Comprender que la Tabla Periódica de los elementos representa una ordenación de los elementos químicos, de acuerdo a sus propiedades. 4 Identificar reactantes y productos en una reacción química simple.

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Módulo 5 Átomos, moléculas y reacciones químicas

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UNIDAD

La idea de átomo Hace más de dos mil años, en la Antigua Grecia, algunos pensadores se hacían una trascendente pregunta: de qué esta hecha la materia. En aquella época no se contaba con los conocimientos y la tecnología suficiente como para responder dicha interrogante de manera exacta. Sin embargo, algunos pensadores griegos dieron una explicación exclusivamente teórica, es decir, sin comprobación práctica.

DESAFÍO ¿De qué está hecha la materia?

Alrededor del siglo V a.C. se discutían dos ideas contrapuestas sobre la constitución de la materia, que tienen mucha relación con la actividad de la página anterior que usted realizó. Una de ellas se refiere a que la materia es de naturaleza continua. Este concepto significa que un cuerpo, como un trozo de metal, teóricamente podría ser dividido en partículas cada vez más pequeñas de manera infinita. En tanto, el filósofo griego Demócrito, influenciado por su maestro Leucipo, propone que la materia es de naturaleza discontinua. Es decir, al contrario de la teoría anterior, en esta se postula que un cuerpo no podría ser dividido infinitamente porque, en esta acción, se alcanzarían las partículas más pequeñas e indestructibles que existen, los átomos.

Leucipo y su discípulo Demócrito no vieron jamás los átomos, solo propusieron su existencia a partir de reflexiones sobre la materia.

Leucipo y Demócrito pensaron que toda materia estaría constituida de átomos y que sustancias diferentes tendrían átomos distintos. Sostuvieron, por ejemplo, que los átomos que componían el agua eran esféricos y suaves; los del fuego, redondeados y con puntas filosas. Las ideas de Leucipo y Demócrito no prosperaron mucho en su época. Un filósofo llamado Aristóteles (siglo IV a.C.), que había adoptado la Teoría de los cuatro elementos, propuesta un siglo atrás por Empédocles, tuvo mayor preponderancia. A los cuatro elementos de Empédocles –aire, tierra, agua y fuego– Aristóteles agregó cuatro cualidades: caliente, húmedo, seco y frío. Los elementos componen, en distintas proporciones, todo lo que existe en el Universo, y sus cualidades explican las transformaciones de la materia. Esta teoría perduró y predominó sobre otras por siglos.

GLOSARIO Una cosa es trascendente cuando se convierte en algo muy importante por sus posibles consecuencias. El término átomo significa sin división.

Recién en el siglo XIX aparecieron las primeras evidencias de que Leucipo y Demócrito estaban equivocados sobre la forma y composición de los átomos. Pese a su error, estos dos filósofos fueron los primeros en plantear una teoría sobre la constitución de la materia cercana a la realidad. En la antigua Grecia los filósofos se reunían a discutir y compartir sus ideas sobre la materia. Unidad 1 La teoría atómica y las reacciones químicas

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La teoría atómica de Dalton En el siglo XIX, la idea sobre la discontinuidad de la materia, propuesta por los pensadores griegos Leucipo y Demócrito, fue retomada. En el año 1808, el científico inglés John Dalton (1766-1844) propuso una teoría sobre la constitución de la materia.

DESAFÍO ¿Cómo es el átomo?

Dalton llegó a la conclusión de la existencia de los átomos a partir de la observación cuidadosa de hechos concretos y no de la mera especulación, como lo hicieron los griegos. Los principales postulados de la teoría atómica de Dalton son:

Átomos del elemento X.

• La materia está constituida por partículas extremadamente pequeñas llamadas átomos. • Todos los átomos de un elemento dado son iguales, poseen las mismas propiedades; por ejemplo, la masa, y difieren de los átomos de otros elementos. • Los átomos pueden combinarse para formar moléculas. Los átomos de un elemento son diferentes a los átomos de todos los demás elementos. Los compuestos están formados por átomos de más de un elemento.

Átomos del elemento Y.

• Un determinado compuesto tendrá siempre la misma clase y número relativo de átomos. • Las reacciones químicas son cambios en la combinación de los átomos. En ellas, los átomos no se destruyen ni se crean. Los átomos son indivisibles. Aunque con el paso de los años la teoría atómica de Dalton resultó insuficiente (o errada) para explicar ciertos fenómenos, constituyó un avance importante en el conocimiento de la combinatoria química.

Compuesto formado por los elementos X y Y.

Para investigar Exploremos la simbología química En grupos de cuatro, investiguen sobre los símbolos que usó Dalton para representar las sustancias químicas. Confronten la simbología actual de aquellas sustancias que conozcan con los símbolos propuestos por Dalton para ellas, indicando la ventaja o desventaja de uno u otro. Presenten los resultados de su investigación al curso en una tabla como la siguiente: Elemento Azufre

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Símbolo actual

Símbolo de Dalton

Compuesto Dióxido de carbono

Fórmula actual

Símbolo de Dalton

CO2

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UNIDAD

Los modelos atómicos La teoría atómica de Dalton se mantuvo por mucho tiempo, y la mayoría de los científi cos del siglo XIX pensaban que los átomos eran pequeñas esferas indivisibles. Sin embargo, todo indicaba que esta teoría iba a ser modificada, a medida que se realizaban más experimentos y descubrimientos. Con el primero de estos experimentos, se demostró que el átomo era divisible y que estaba constituido de otras partículas: los electrones. Más tarde, se descubrieron las otras partículas constituyentes de los átomos: los protones y luego los neutrones. Con estos conocimientos, los científicos comenzaron a plantear modelos atómicos que dieran cuenta de cómo era el átomo. El científico inglés Joseph John Thompson (1856-1940) propone en el año 1903 un modelo atómico muy simple. Para Thompson, el átomo consiste en una masa homogénea cargada positivamente, y en la cual se hallan distribuidas las cargas negativas (electrones), siendo el conjunto eléctricamente neutro.

Representación del modelo atómico de J. J. Thompson.

No pasaría mucho tiempo para que este modelo fuese reemplazado por otro. El descubrimiento de la radiactividad permitió la realización de varios experimentos que modificarían categóricamente lo expresado por Thompson.

El nuevo modelo atómico lo propone, en el año 1911, el físico neozelandés Ernest Rutherford (1871-1937) a partir de experimentos realizados por sus colaboradores. Rutherford sugiere que el átomo tiene una zona central muy pequeña, de carga eléctrica positiva, en la que se ubican los protones, y que concentra casi toda la masa del átomo, a la que denominó núcleo atómico. Rodeando a esta zona se ubican las partículas negativas, los electrones, girando en orbitas circulares y ocupando la mayor parte del volumen del átomo. Por su semejanza con la disposición del Sol y los planetas en el Sistema Solar, se conoce a esta propuesta como Modelo planetario del átomo. Después, modelos cada vez más completos y complejos del átomo serían propuestos, pero en todos podemos reconocer estas dos zonas del átomo. Cuando se descubrió el neutrón, en 1932, también se localizó su ubicación en el núcleo atómico. Es necesario aclarar que estos modelos se plantearon en base a las propiedades observables de la materia, y a medida que fueron mejorando las técnicas de investigación, y de ninguna manera mediante la observación directa de los átomos.

Representación del modelo atómico de E. Rutherford.

Lise Meitner Física autrosueca (18781968), que identificó por primera vez la fisión nuclear (reacción nuclear). También es conocida por su investigación sobre la teoría atómica y la radioactividad. Sugirió la existencia de la reacción en cadena, que contribuyó al desarrollo de la bomba atómica.

GLOSARIO La radiactividad es la emisión de partículas y/o radiación por parte de algunos átomos; por ejemplo, el uranio.

María GoeppertMayer Física estadounidense de origen alemán (19061972). En 1963 compartió el Premio Nobel de Física y fue nominada por la Comisión Nobel por sus trabajos, realizados a finales de la década de 1940, en los que demostró que el núcleo atómico tiene una estructura que contiene sucesivas capas de protones y neutrones unidas por fuerzas complejas.

Unidad 1 La teoría atómica y las reacciones químicas

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La Tabla Periódica: el lenguaje de la química Desde comienzos del siglo XIX, los científicos advirtieron semejanzas en algunos elementos químicos, lo que permitiría agruparlos.

DESAFÍO ¿Qué importancia tiene la Tabla Periódica?

Sin embargo, la primera y más destacable agrupación de elementos químicos la realizó el científico ruso Dimitri Mendeleiev (1834-1907). En 1869, organizó en filas y columnas los 63 elementos conocidos en su época, según un orden creciente de sus masas atómicas. Mendeleiev observó con ello que se producía un patrón de repetición, pues los elementos que pertenecían a una columna contaban con similares propiedades químicas. Esta ordenación recibió el nombre de Tabla Periódica o Sistema Periódico de los elementos químicos.

GLOSARIO Masa atómica se define como la masa de un átomo. Número atómico corresponde a la cantidad de protones de un átomo.

De forma independiente, en 1870, el químico alemán Julius Lothar Meyer propuso una clasificación similar a la de Mendeleiev, relacionando las masas atómicas de los elementos químicos con sus propiedades físicas.

Número atómico.

Posteriormente, estas clasificaciones fueron perfeccionadas y ampliadas a medida que se descubrían nuevos elementos y se alcanzaba un conocimiento más amplio del átomo.

Símbolo.

En la Tabla Periódica actual, los elementos químicos están en orden creciente de sus números atómicos. Esta disposición refleja mejor la periocidad de las propiedades físicas y químicas de los elementos químicos. La siguiente tabla muestra la distribución de los elementos químicos en la Tabla Periódica actual. Podemos observar que consiste en 18 columnas, las que se denominan grupos o familias, y 7 filas, llamados períodos. Entre los grupos 3 y 4, se hallan dos series de elementos: los lantánidos (período 6) y los actínidos (período 7). Los elementos de estas series no se clasifican en grupos y se colocan aparte para que el trazado de la tabla no resulte demasiado ancho.

Hidrógeno 1,00794 Elemento.

Masa atómica.

1 1

138

Dimitri Mendeleiev fue capaz de predecir las características de elementos químicos que no se habían descubierto y que más tarde se confirmaron.

Tabla Periódica

Unq

Unp

Unh

Uun

Uuu

Uub

Uut

Uuq

Uup

Uuh

Uus

Uuo

Lantánidos 6

Actínidos

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UNIDAD

Los elementos químicos que pertenecen a un grupo determinado tienen propiedades físicas y químicas semejantes; por ejemplo, los elementos del grupo 1 (exceptuando el hidrógeno), denominado familia de los metales alcalinos, son todos sólidos a temperatura ambiente, metales blandos (pueden cortarse con un cuchillo), de densidades bajas, dúctiles, maleables, buenos conductores del calor y la electricidad, entre otras propiedades físicas. Desde el punto de vista químico, son de alta reactividad, esto hace que en la naturaleza se encuentren combinados con otros elementos formando compuestos y no en estado libre. Son tan reactivos que deben guardarse bajo kerosene, pues su reacción con el agua es muy violenta, con gran liberación de energía. Incluso, es peligroso tomarlos con las manos, pues la humedad frecuente que hay en ellas, producto de la transpiración, es suficiente para iniciar una reacción química y provocar quemaduras. Los elementos que pertenecen a un período no tienen propiedades comunes.

Reacción entre sodio y agua.

Test Responda las siguientes preguntas. 1 ¿Cuál es el principal aporte al conocimiento de la materia realizado por Dalton?

2 Dibuje los modelos atómicos de Thompson y de Rutherford e identifi que las partes constituyentes.

3 ¿Cuál es la diferencia principal entre ambos modelos?

4 Según el modelo actual del átomo, ¿qué partículas constituyen a los átomos y cuál es su ubicación en ellos?

5 ¿Qué carácterística distingue a un grupo de un período en la Tabla Periódica?

6 Observando la Tabla Periódica, ¿cuál(es) de los siguientes conjunto(s) de elementos químicos tiene(n) propiedades semejantes? ¿Por qué? a) Cl – I – Br b) K – Ca – Fe c) Al – Sn – Bi

Unidad 1 La teoría atómica y las reacciones químicas

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Elementos y compuestos DESAFÍO ¿Con qué simbología podemos distinguir elementos de compuestos?

En el siglo XVII, el científico irlandés Robert Boyle (1627-1691) redefine el concepto de elemento químico. Según los resultados de su trabajo experimental, sostiene que un elemento químico es una sustancia que no puede ser descompuesta en otras más simples, y que puede unirse a otro u otros átomos distintos para formar un compuesto químico. Más tarde, John Dalton, en su Teoría atómica, incorpora el concepto de átomo a los de elemento y compuesto químico. El conocimiento y descubrimiento de los elementos químicos fue de forma gradual a través de la historia de la humanidad. En la Antigüedad, se conocían alrededor de 11 elementos (sin saber que lo eran), la mayoría de ellos metales, con los cuales las diferentes civilizaciones fabricaban objetos, como herramientas y joyas. El cobre, el hierro, el oro y la plata son algunos de ellos. En la actualidad, se conocen más de cien elementos químicos, 90 de los cuales se hallan en la naturaleza, más el resto, que ha sido obtenido por síntesis, en laboratorios muy sofisticados. Pero, ¿dónde se formaron todos los elementos químicos naturales?

Objeto de oro de la América precolombina.

GLOSARIO Síntesis obtención de una sustancia a partir de otra u otras.

Los elementos químicos que componen la Tierra se formaron en el interior de las estrellas. Según los científicos, el hidrógeno (H) fue el primer elemento químico en surgir luego de la explosión que dio origen al Universo, conocida como Big Bang. Inmediatamente se formó el helio (He) y, en un proceso de millones de años de duración, se formaron los otros elementos. Cuando las estrellas gigantes explotaron, los elementos químicos formados se dispersaron por todo el Universo. El hidrógeno y el helio son los elementos que se encuentran en mayor cantidad en el Universo. Constituyen alrededor del 98% de la masa de las estrellas. En tanto, en nuestro planeta, la situación es diferente. Los elementos que se hallan en mayor proporción son el oxígeno (O) y el silicio (Si); le siguen el aluminio (Al), el hierro (Fe), el calcio (Ca), el sodio (Na), el potasio (K) y el magnesio (Mg). Todos ellos se hallan formando compuestos, es decir, no se encuentran en estado elemental.

Proporción de los elementos químicos en el Universo

Hidrógeno (91%)

140

Helio (9,1%)

Otros (0,9%)

Proporción de los elementos químicos en la Tierra

Oxígeno (46,6%)

Silicio (27,7%)

Aluminio (8,1%)

Hierro (5%)

Calcio (3,6%)

Sodio (2,8%)

Potasio (2,6%)

Magnesio (2,1%)

Otros (1,5%)

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UNIDAD

En nuestro organismo, la situación también es diferente, puesto que el hidrógeno (H), el oxígeno (O) y el carbono (C) son los elementos químicos que se hallan en mayor proporción formando los compuestos que nos constituyen. Proporción de los elementos químicos en el cuerpo humano

Hidrógeno (63%)

Oxígeno (25,5%)

Nitrógeno (1,4%)

Otros (0,6%)

Los alimentos que ingerimos también son ricos en compuestos de C, H y O.

Carbono (9,5%)

Representación de los elementos químicos Como habrá visto en la Tabla Periódica, los elementos químicos se representan por medio de símbolos químicos, que son abreviaturas de sus nombres. Cada símbolo consta de una o más letras tomadas del nombre del elemento (en latín, griego u otro). Cuando el símbolo consta de una letra, esta se escribe en mayúscula; si tiene dos o tres letras, la primera es mayúscula y las siguientes minúsculas. Los símbolos químicos y estas reglas de escritura son universales, es decir, son utilizadas y respetadas en todo el mundo. Los nombres de los elementos químicos tienen distinto origen; en general, palabras latinas y griegas que se refieren a las propiedades del elemento, a cuerpos celestes, a lugares, a científicos, mitos u otros. La siguiente tabla muestra los símbolos de algunos elementos y el origen de su nombre.

Elemento

Símbolo químico

El gas helio fue descubierto primero en el Sol que en la Tierra, de ahí nombre que recibió el elemento químico.

Origen del nombre

Hidrógeno

Del griego hydros y gennao, que significa formador de agua.

Helio

Del griego helios, que significa Sol.

Cobre

Del latín cuprum, término que proviene del nombre de una isla de Chipre.

Nobelio

En honor a Alfred Nobel.

Vanadio

De Vanadis, diosa de la mitología escandinava.

Kriptón

Del griego kryptos, que significa oculto, secreto.

Unidad 1 La teoría atómica y las reacciones químicas

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Representación de los compuestos químicos En la naturaleza, la mayoría de los átomos de los elementos químicos se hallan unidos (enlace químico) a otros átomos de elementos iguales o diferentes, formando una enorme variedad de moléculas, las que constituyen todo lo que conocemos por materia. Si los átomos enlazados en una molécula son iguales, se trata de un elemento; por ejemplo, el ozono (O3), en tanto, si son distintos, constituyen un compuesto químico, como el agua (H2O).

El azúcar común o sacarosa es un compuesto formado por carbono, hidrógeno y oxígeno. Su fórmula química es C12H22O11 .

GLOSARIO Un enlace químico es la unión de dos átomos de un compuesto químico, debido a la existencia de fuerzas de atracción entre ellos.

Para representar una molécula, se usa una fórmula química. En su abreviatura, se utilizan los símbolos químicos de los elementos participantes, y subíndices (números), con los cuales se indica la cantidad de átomos de un elemento determinado por una molécula de la sustancia. Cuando hay un solo átomo de un elemento en la molécula, el subíndice es 1 y no se anota; por ejemplo, en CO2, existe un átomo del elemento carbono (C) y dos átomos del elemento oxígeno (O) por cada molécula. ¿Cuántos átomos de cada elemento habrá en tres moléculas de CO2? La siguiente tabla muestra el tipo de sustancia y su abreviatura química según la unidad básica que las constituya. Tipo de sustancia Elemento químico Compuesto químico

Unidad básica

Abreviatura química

Ejemplo

Átomo

Símbolo químico

Molécula

Fórmula química

Molécula

Fórmula química

H2O

Test 1 Escriba el símbolo químico de los siguientes elementos químicos: a) Litio:

c) Oxígeno:

e) Azufre:

g) Potasio:

b) Carbono:

d) Sodio:

f) Magnesio:

h) Cloro:

2 ¿Qué distingue un elemento de un compuesto químico? ¿Y un átomo de una molécula?

3 Usando la información de la tabla anterior y el ejemplo, complete la siguiente tabla. Fórmula CH4

Tipo de sustancia Compuesto

Elementos constituyentes Cantidad de cada elemento en una molécula Carbono e hidrógeno

1 átomo de carbono 4 átomos de hidrógeno

H2O2 C2H6O NaCl

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UNIDAD

Cambios químicos de la materia Las transformaciones que experimenta la materia no son uniformes. Podemos observar cambios como el congelamiento del agua u otros más drásticos, como la combustión de un trozo de papel. El primero corresponde a un cambio físico y el segundo, a un cambio químico. Un cambio físico corresponde a una modificación del estado de agregación de una sustancia; por ejemplo, del estado sólido al líquido. Este tipo de cambio no constituye una modificación en la composición de la materia, por lo que una sustancia al evaporarse, licuarse o solidificarse no se transforma en una nueva, conserva su estructura química, como es el caso del agua (H2O).

El cambio de coloración de la pulpa de la manzana al exponerse al aire es un cambio químico.

DESAFÍO ¿Qué características tiene un cambio químico?

En tanto, un cambio químico es aquel que consiste en una modificación más profunda de la materia, en la que una o más sustancias se transforman en otras nuevas, con propiedades físicas y químicas diferentes; por ejemplo, la digestión de los alimentos, la fotosíntesis, la oxidación de un metal, etc. Los cambios químicos reciben el nombre genérico de reacciones químicas.

La fusión de los metales es un cambio físico utilizado en la metalurgia.

Laboratorio Disolvamos una tableta efervescente Desrrollen en grupo la siguiente actividad experimental. 1 Para esta actividad necesitan un vaso, agua y una tableta efervescente de vitamina C (ácido ascórbico, 100 mg.) 2 Ponga agua en el vaso. Luego agregue la tableta efervescente. 3 Describa brevemente lo que sucede.

4 ¿Es una reacción química lo acontecido? ¿Por qué?

5 Si es una reacción química, ¿qué sustancias identifica al inicio de ella y cuáles al final?

6 ¿Qué actividad realizaría para verificar otros cambios que se produjeran; por ejemplo, si hay variación de temperatura o de masa?

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Representación de una reacción química

GLOSARIO El combustible es un cuerpo o sustancia que puede arder, sobre todo si con ello produce energía. El comburente es una sustancia que logra la combustión, o bien la acelera.

Las reacciones químicas constan de dos miembros: las sustancias iniciales, llamadas reactantes, y las sustancias finales, denominadas productos. Para que una reacción química ocurra, los reactantes deben interaccionar, es decir, entrar en contacto. Los cambios o reacciones químicas pueden ser representados por medio de ecuaciones químicas, en las que se hace uso de símbolos químicos y fórmulas químicas, para abreviar las distintas sustancias reactantes y productos. Una ecuación química representa una igualdad, un equilibrio químico. Analicemos una reacción química sencilla: la combustión del metano. Esta consiste en la reacción entre el metano (combustible) y el oxígeno (comburente), produciendo dióxido de carbono y agua, reacción que va acompañada de desprendimiento de energía. La ecuación química que representa este cambio químico es: CH4 + 2 O2 Metano

CO2 + 2 H2O

Oxígeno

Dióxido de carbono

Agua

Laboratorio Metano (CH4)

Representemos una reacción química Desrrollen en grupo la siguiente actividad experimental.

Oxígeno (O2)

Dióxido de carbono (CO2)

1 Para esta actividad necesitan un cartón grueso, un sobre de mondadientes, 18 esferas pequeñas de plumavit y témpera negra, roja y blanca. Las esferas representarán los átomos y, los mondadientes, las uniones entre ellos. 2 Pinten 2 esferas negras para representar carbono; 8 blancas para el hidrógeno y, 8 rojas para el oxígeno. 3 Guíense por las ilustraciones para representar a las moléculas. 4 Escriban en el cartón, con letra grande, la ecuación química que representa la reacción. 5 Una vez listas las moléculas, colóquenlas en el cartón siguiendo el orden de la ecuación química escrita. 6 ¿A qué elemento está unido el átomo de carbono antes del cambio químico? ¿Y después de él? 7 De acuerdo con la pregunta anterior, ¿qué ocurre con los átomos en un cambio químico? 8 Para la siguiente reacción química, identifiquen reactantes y productos y describan los cambios que ocurren en la uniones de los átomos.

Agua (H2O)

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2H2 +

2H2O

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Síntesis A modo de resumen de la Unidad 1, complete el siguiente mapa conceptual. Compare su trabajo con el de sus compañeros o compañeras de curso. E. Rutherford

Materia está constituida por

Reacciones químicas

Átomos

participan en

están formados en

posee

forman

en la que

tienen carga eléctrica

descubierto por

se representan con

Neutrones

originan

Moléculas Productos

si tienen átomos iguales son

si tienen átomos distintos son

Compuestos

están ordenados en según

son eléctricamente

su abreviatura química es

Envoltura

su abreviatura química es

Número atómico

J. J. Thompson descubiertos por

posee se usan para las

resultando

tienen carga eléctrica

Negativa Grupos

reúne elementos de similares

Para profundizar

1 http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_ iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/ atomo/modelos.htm (Apoyo a los contenidos: historia de los modelos atómicos). 2 http://www.educarchile.cl/Portal.Base/Web/ verContenido.aspx?ID=205406 (Apoyo a los contenidos: modelo atómico de Dalton).

3 http://www.lenntech.es/periodica/tabla-periodica. htm (Apoyo a los contenidos: clasificación periódica de los elementos químicos). 4 http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/35_las_ reacciones_quimicas/curso/index.html (Apoyo a los contenidos: curso sobre las reacciones químicas).

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EVALUACIÓN Resuelva cada pregunta y compare los resultados de su trabajo con el de sus compañeros o compañeras y consulte a su profesor o profesora las dudas que tenga. Trabaje aquellos temas que necesita fortalecer. 1 Haga un dibujo del átomo según lo concibió E. Rutherford. Identifique las partes y partículas constituyentes del átomo.

2 Defina los siguientes conceptos apoyándose en la teoría atómica de Dalton: a) Elemento

b) Molécula

c) Compuesto

d) Átomo

e) Reacción química

3 Explique la propiedad de la materia volumen utilizando la teoría atómica de Dalton.

4 ¿Qué elementos químicos componen principalmente los compuestos y estructuras del cuerpo humano? 5 ¿Qué elementos químicos constituyen los compuestos y estructuras presentes en los alimentos? 6 ¿Cómo explica que teniendo el cuerpo humano y los alimentos los mismos elementos químicos constituyentes sean tan diferentes?

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7 Escriba el nombre y el símbolo químico de los primeros 20 elementos químicos de la Tabla Periódica. 1

18 2

13 3

8 ¿Cuántos grupos tiene la tabla periódica? ¿Qué caracteriza a los elementos químicos que constituyen a un grupo?

9 Identifi que los reactantes y productos en las siguientes reacciones químicas. Indique qué cambios observa en la organización de los átomos de las sustancias. a) 3 H2

2 NH3

b) C

CO2

c) C3H8

5 O2

3 CO2

4 H2O

10 Observe las siguientes fórmulas químicas. ¿Son compuestos químicos distintos? ¿Por qué? CO CO2

11 Complete. Nombre

Fórmula

Monóxido de carbono

Amoníaco

NH3

Etanol

C2H6O

Oxígeno

Ácido sulfúrico

H2SO4

Fósforo blanco

Hidróxido de sodio

NaOH

Tipo y cantidad de átomos

Tipo de sustancia

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UNIDAD

Para comenzar

Factores que afectan a las reacciones químicas Realice la siguiente actividad junto con un compañero o compañera. Luego, respondan las preguntas en su cuaderno. 1 Agreguen tres cucharadas soperas de azúcar blanca en una olla pequeña, limpia y seca.

2 En la cocina, coloquen la olla a llama baja para calentar el azúcar. Observen si hay cambios en el azúcar y, si es así, descríbanlos. 3 Continúen calentando de 2 a 4 minutos. Apaguen el fuego y dejen enfriar la olla con su contenido. 4 ¿Qué tipo de cambio le sucede al azúcar? ¿Por qué? 5 ¿Consideran que el cambio ocurre en forma rápida o lenta? 6 ¿Qué creen que pasaría si calientan el azúcar con llama alta de la cocina?

Aprendizajes esperados En esta unidad, usted trabajará para conseguir los siguientes aprendizajes: 1 Verificar experimentalmente la conservación de la masa en una reacción. 2 Explicar el concepto de velocidad de una reacción química. 3 Conocer los factores de los cuales depende la velocidad de reacción.

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UNIDAD

La conservación de la masa En el siglo XVIII, los estudios que hacían los químicos de las reacciones químicas eran poco cuantitativos. Predominaba la teoría del flogisto, con la cual se explicaba la combustión de los metales. En esta teoría se sostenía que en la calcinación de un metal se desprendía una sustancia a la que se denominó flogisto. Sin embargo, no se explicaba por qué en el proceso de calcinación la masa del producto (cenizas) era mayor a la del reactante.

DESAFÍO ¿Hay cambios de masa en una reacción química?

El químico francés Antoine Lavoisier (1743-1794) enuncia una ley sobre los cambios de masa que ocurren en una reacción química. Mediante cuidadosas mediciones de la masa, antes y después de la calcinación de un metal en recipientes cerrados, descubrió que no había pérdida ni ganancia de masa en el proceso. Por lo tanto, en la calcinación no hay pérdida de flogisto por parte de un metal, por el contrario, este se combina con parte del aire (oxígeno). Por esta razón, las cenizas tienen mayor masa que el metal: oxidación. Tras varios experimentos, Lavoisier llegó a la siguiente generalización sobre la conservación de la materia: en toda reacción química la masa se conserva, es decir, la masa total de las sustancias reactantes es igual a la masa total de las sustancias productos. El siguiente experimento le permitirá evaluar si existe conservación de la masa después de un cambio químico.

Antoine Lavoisier y su esposa Marie-Anne Pierrete Paulze.

Laboratorio ¿Se conservará la masa? Desarrollen en grupo la siguiente actividad experimental. 1 Para esta actividad necesitan los siguientes materiales: una balanza, una botella plástica pequeña, 100 mL de vinagre, una cucharada de bicarbonato de sodio, un globo y un elástico. 2 Agreguen el vinagre en la botella plástica. 3 Luego, echen el bicarbonato de sodio al interior del globo. 4 Unan la parte superior del globo con la salida de la botella, sosteniéndolo con el elástico. Eviten de que caiga bicarbonato de sodio al interior de la botella. 5 Determinen la masa de todo el conjunto, es decir, la botella con el vinagre, el globo con el bicarbonato y el elástico. Regístrenla: g 6 Agreguen el bicarbonato al recipiente que contiene el vinagre. Describan lo que sucede.

7 ¿Cuál es la masa de todo el sistema ahora?

8 ¿Hubo variación de masa en este cambio de la materia? ¿Qué explicación pueden dar al respecto?

Unidad 2 Factores que afectan a las reacciones químicas

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Interpretando la conservación de la masa Cuando ocurre una reacción química, los átomos de las sustancias reactantes experimentan rupturas de sus uniones y forman nuevos enlaces con otros átomos, constituyendo sustancias distintas a las originales. En este proceso no hay surgimiento o pérdidas de átomos, por lo que cuando se representa una reacción química se debe poner atención en la conservación de ellos, en tipo y cantidad; por ejemplo, en la siguiente ecuación, que representa la reacción química que estudió en la unidad pasada, se pueden observar los cambios mencionados en las uniones de los átomos.

GLOSARIO Un coeficiente estequiométrico amplifica la cantidad de átomos de una molécula, según sea su valor; por ejemplo, 3 CO2 indica que se representa 3 átomos de carbono (C) y 6 átomos de oxígeno (O).

CH4 +

En una reacción química puede que una de las sustancias reactantes exceda la cantidad que se requiere, por lo tanto, sobrará.

CO2 + H2O

Sin embargo, al comparar las sustancias reactantes con las sustancias productos, podemos ver que hay conservación del tipo de átomos (C, H y O), pero no de cantidad. Es decir, en los reactantes hay cuatro átomos de hidrógeno y solo dos en los productos; en los reactantes hay dos átomos de oxígeno, mientras que tres en los productos. Estas diferencias nos indican que en la ecuación no se está representando correctamente la reacción química, ya que no se considera la conservación de la masa. Para hacerlo, se debe igualar la ecuación química, lo que significa agregar números (coeficientes estequiométricos) al costado izquierdo de las moléculas o átomos, reactantes o productos, que se requiera para que la cantidad de cada tipo de átomos sea igual en ambos miembros de la ecuación. En el ejemplo sería: CO2 + 2 H2O CH4 + 2 O2 1 átomo de C 4 átomos de H 4 átomos de O

1 átomo de C 4 átomos de H 4 átomos de O

Test 1 Iguale las siguientes ecuaciones químicas e indique la cantidad de átomos de cada elemento que hay en ambos miembros de ellas. a)

NH3

MgO

2 ¿Por qué una ecuación química igualada nos indica que se cumple con la conservación de la masa?

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UNIDAD

La velocidad de una reacción química Muchas de las reacciones químicas proceden de forma instantánea, es decir, transcurren con gran rapidez; como la que se establece entre el bicarbonato de sodio y el ácido del vinagre o cuando se quema un papel. Sin embargo, las reacciones ocurren a diferentes velocidades. Algunas lo hacen de forma muy rápida, otras tardan segundos, minutos o mucho más. La velocidad de reacción se define como la medida de la rapidez en que se consumen los reactivos o se forman los productos, en unidad de tiempo, de una reacción química. La siguiente actividad experimental la permitirá comparar la velocidad de una reacción química bajo dos condiciones diferentes.

La oxidación del hierro es una reacción química lenta.

Laboratorio Comparemos la velocidad de las recciones químicas* Desarrollen en grupo la siguiente actividad experimental. 1 Para esta actividad necesitan: dos platos pequeños, una papa grande, un cuchillo pelador, un rallador, un cronómetro y un limón. 2 Pelen la papa, pártanla en dos y déjenla sumergida en un recipiente con agua. 3 Tomen cada una de las mitades y rállenlas completamente.

4 Coloquen cantidades iguales de ralladura de papa en cada plato, expuestas al ambiente. 5 Agreguen unas gotas de limón a una de las porciones de ralladuras de papa. Midan el tiempo en que aparezca un cambio en cada plato. 6 Predigan qué ocurrirá con la ralladura de papa expuesta al aire (presencia de oxígeno) de cada plato.

7 ¿Qué ocurrió con las ralladuras de papa? ¿Cuánto tiempo demoró en aparecer cambios?

8 ¿Qué influencia tiene el jugo de limón en la velocidad de la reacción?

* Actividad adaptada del Programa de Estudio de Educación Básica, Ciencias Naturales, Educación de Adultos, página 126.

Con la actividad anterior, en que se muestra la reacción entre la ralladura de papa y el oxígeno del aire, se puede inferir que en una reacción química influyen algunos factores que modifican la velocidad en que procede. Unidad 2 Factores que afectan a las reacciones químicas

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Representación de la velocidad de reacción La velocidad de reacción representa la cantidad de reactantes que desaparecen o la cantidad de productos que se forman por unidad de tiempo; por ejemplo, para una reacción hipotética en que A origina a B, los cambios de las cantidades de las sustancias en el tiempo está representada por los siguientes gráficos: A B

[A]

[B]

t (s)

En el gráfi co de la izquierda, podemos observar que la cantidad de reactante A disminuye en el tiempo hasta hacerse constante, y en el de la derecha, aumenta la del producto B, también hasta que llega a ser constante. Por lo tanto, se puede afirmar que la velocidad de una reacción es mayor al comienzo de esta, y a medida que transcurre el cambio químico, su valor disminuye. La velocidad de una reacción quimica tiene que determinarse de forma experimental, observando y registrando los cambios de alguna variable medible; por ejemplo, como la cantidad que desaparece de un reactante sólido, la de formación de un gas, la aparición de un color, entre otras.

Test En un experimento, se recogieron los siguientes datos de la reacción: A

Experimento

Cantidad inicial de A

Velocidad (desaparición de A por unidad de tiempo)

0,1

0,01

0,2

0,02

0,3

0,03

¿Qué sucede con la velocidad de reacción si se triplica la cantidad inicial de A?

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UNIDAD

Teoría de las colisiones En una reacción química ocurren rupturas y formación de enlaces químicos entre los átomos; por ejemplo, consideremos la formación de agua, representada por la ecuación química siguiente: H2 + O2 H2O En esta reacción se rompen los enlaces que existen entre los átomos de hidrógeno en H2 y de oxígeno en O2 y se establecen nuevas uniones entre H y O para formar la molécula de H2O. De acuerdo con la teoría de las colisiones, para que lo anterior suceda es necesario que las moléculas reactantes colisionen (choquen) entre sí, y que dichos choques sean efectivos, es decir, que generen las moléculas productos. Las moléculas pueden chocar entre sí y no verificarse reacción alguna. Los choques son efectivos cuando las moléculas reactantes colisionan con la orientación adecuada y tienen la energía suficiente como para que sus enlaces se rompan. A esta energía se le denomina energía de activación. La magnitud de la energía de activación depende de la naturaleza de la reacción. Algunas requieren una energía de activación grande y, por lo tanto, los reactantes son estables en condiciones normales. Otras tienen energía de activación pequeña, lo que indica que los reactantes son inestables; por ejemplo, el hidrógeno (H2) y el oxígeno (O2) pueden permanecer en un mismo recipiente sin reaccionar durante años; aunque hay choques entre estas partículas, no alcanzan la energía (de activación) necesaria para hacerlo. En tanto, si la mezcla se calienta a 800 ºC o se le aplica una chispa eléctrica, ambos elementos reaccionan violentamente y se forma agua, pues con ello se suministra la energía de activación necesaria.

La madera que componen estos fósforos no inicia combustión sin que se le proporcione a sus moléculas constituyentes la energía mínima requerida para la reacción.

Test Conteste las siguientes preguntas. 1 Describa brevemente qué sucede en la siguiente reacción química: H2 (g) +

Hidrógeno

CI2 (g) Cloro

2 HCI (g)

(g) = Gas

Cloruro de hidrógeno

2 Aplicando la teoría de las colisiones, explique por qué una reacción química podría ser más rápida que otra.

3 ¿Por qué es peligroso fumar en las gasolineras? ¿Qué relación tiene este hecho con las reacciones químicas?

Unidad 2 Factores que afectan a las reacciones químicas

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Los factores que afectan la velocidad de reacción DESAFÍO ¿Cómo podemos cambiar la velocidad de una reacción química?

La velocidad de reacción está afectada por aquellos factores que provoquen, aumenten o disminuyan la cantidad y la eficacia de los choques entre las moléculas reactantes. Se ha determinado experimentalmente que los factores de los cuales depende la velocidad de reacción son: •

naturaleza de los reactantes;

•

nivel de disgregación de los reactantes;

•

concentración de los reactantes;

•

temperatura; y

•

catálisis.

Analizaremos cada uno de estos factores con el objetivo de determinar si favorecen o no la velocidad de reacción.

Naturaleza de los reactantes Los átomos constituyentes de las sustancias reactantes y los enlaces que se establecen entre ellos son características que influyen en la velocidad en que ocurre la reacción química. Recordemos que, en una reacción química se rompen y forman enlaces químicos, por lo tanto, es evidente que la velocidad está condicionada por la naturaleza de estas uniones, de la magnitud de sus energías. En general, las reacciones en que haya rupturas de enlaces (reactantes que son moléculas neutras) serán más lentas que aquellas en las que las sustancias reactantes estén en estado iónico (disueltas en solución), pues los choques de iones de carga opuesta favorecen que ocurran inmediatamente.

Muchas de las reacciones ocurren casi instantáneamente cuando las sustancias reactantes están disueltas, en estado iónico. En la fotografía, se muestra la formación de un sólido amarillo.

Sustancias disueltas en agua. 154

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UNIDAD

Nivel de disgregación de los reactantes Cuando una de las sustancias que reacciona es sólida, la rapidez con que lo hace depende de la superficie de contacto, es decir, de la superficie expuesta a la reacción. Considere, por ejemplo, que el sólido es un cubo. La superficie de contacto está formada por las seis caras que posee, lugares en los cuales podría ocurrir reacción.

DESAFÍO ¿De qué forma una sustancia sólida reacciona más rápidamente?

Entonces, ¿cómo cambia la velocidad si aumentamos la superficie de contacto de un sólido que participa en una reacción? La siguiente actividad le permitirá encontrar una respuesta a esta interrogante.

Laboratorio ¿Cómo afecta el nivel de disgregación a la velocidad de reacción? Desarrollen en grupo la siguiente actividad experimental. 1 Para esta actividad necesitan dos vasos, dos tabletas de antiácido efervescente (o vitamina efervescente), agua, un reloj con cronómetro, una cuchara plástica y un mortero. 2 Coloquen igual cantidad de agua en cada vaso. 3 En uno de ellos, agreguen una de las tabletas y midan el tiempo que demora en reaccionar con el agua. Registren sus datos y observaciones.

4 Luego, pongan la otra tableta de antiácido en el mortero y muélanla hasta que quede convertida en polvo. 5 Agréguenla al otro vaso con agua y midan también el tiempo de reacción. Registren sus datos y observaciones. 6 ¿En cuál de los dos casos el tiempo de reacción fue menor? 7 ¿Qué explicación pueden dar al respecto?

La división de un sólido aumenta su superficie de contacto haciendo que la reacción proceda con mayor rapidez. La agitación es otro factor que favorece los choques entre las moléculas reaccionantes y, por consiguiente, la velocidad de reacción. Unidad 2 Factores que afectan a las reacciones químicas

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Concentración de los reactantes Por experiencia sabemos que el agua disuelve una gran cantidad de sustancias, formando mezclas denominadas homogéneas. Estas mezclas, sean con agua u otros componentes son llamadas también soluciones. La concentración es la cantidad de una sustancia que está disuelta por unidad de volumen de solución. Si en una solución hay mayor cantidad disuelta de una sustancia por unidad de volumen que en otra, entonces, es de mayor concentración y, viceversa. Para estudiar la influencia de esta variable en la velocidad de reacción, vamos a suponer que tenemos dos vasos de precipitados en los que se llevará a cabo la siguiente reacción: Mg (s) 2HCl MgCl2 + H2 HCl

En ambos vasos se ha dejado la misma cantidad del metal magnesio (Mg), el mismo volumen de solución de ácido clorhídrico (HCl) y se ha mantenido la misma temperatura inicial. La diferencia entre los vasos A y B se halla en la concentración de HCl. Al respecto, responda las preguntas de la siguiente actividad.

Test Conteste las siguientes preguntas. 1 ¿En cuál de los dos sistemas, A o B, la velocidad de reacción será mayor? 2 ¿Por qué la velocidad de reacción será mayor?

Una concentración mayor (en este caso de HCl) favorece un aumento de los choques entre los reactantes y de la posibilidad de que éstos sean efectivos. Por lo tanto, a mayor concentración de los reactantes, mayor velocidad de reacción. La velocidad de reacción será aún mayor si el sólido (el metal magnesio, Mg) estuviese finamente dividido y la mezcla se agitara. 156

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UNIDAD

Temperatura La temperatura es una medida de la agitación de las partículas de los cuerpos. Si la temperatura de un cuerpo es alta, su energía cinética también lo es. Por lo tanto, sus moléculas tendrán un mayor movimiento que cuando su temperatura es baja. En general, la velocidad de reacción se incrementa con el aumento de temperatura y esta variable es un recurso muy utilizado en experimentos químicos cuando se desea que las reacciones procedan con rapidez. La siguiente experiencia le permitirá comprobar lo anteriormente afirmado, recurriendo a una reacción ya conocida por usted.

Muchas sustancias, como el azúcar, se disuelven más rápido en agua caliente.

Laboratorio ¿Cómo afecta la temperatura a la velocidad de reacción? Desarrollen en grupo la siguiente actividad experimental. 1 Para esta actividad necesitan: dos vasos de precipitados, dos tabletas de antiácido efervescente (o vitamina efervescente), agua, un reloj con cronómetro, un hervidor eléctrico y un termómetro de laboratorio. 2 Coloquen 200 mL de agua en un vaso, midan su temperatura y agreguen una de las tabletas. Midan el tiempo en que demora en reaccionar con el agua. Registren los datos recogidos y sus observaciones.

3 Después pongan agua en el hervidor y caliéntenla hasta la ebullición. 4 Ahora traspasen 200 mL de agua caliente a otro vaso. Midan la temperatura del agua según las instrucciones que entregue el profesor o la profesora. Tengan la precaución de que su valor no sea inferior a 70 ºC. 5 Agreguen la tableta efervescente al agua caliente. Midan el tiempo de reacción y registren sus datos y observaciones.

6 ¿En cuál de los dos sistemas el tiempo de reacción fue menor?

7 ¿Qué explicación pueden dar al respecto?

También la velocidad de reacción se ve favorecida si conjuntamente con el aumento de temperatura, la mezcla se agita y los reactantes están finamente divididos o en estado iónico, disueltos en la solución. Unidad 2 Factores que afectan a las reacciones químicas

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Catálisis La catálisis es un proceso mediante el cual una sustancia, denominada catalizador, reduce la energía de activación de la reacción química permitiendo que esta proceda con mayor rapidez. Los catalizadores ejercen su acción sin experimentar cambios químicos permanentes, o sea, al final de la reacción química se encuentran inalterados, pudiendo ejercer su acción catalizadora nuevamente.

Cuando se quiere evitar la ocurrencia de una reacción química se recurre a un inhibidor; por ejemplo, en la mantención de alimentos perecibles.

También hay sustancias que ejercen la acción contraria, denominadas inhibidores. Estas sustancias ocasionan un aumento de la energía de activación, por ende la velocidad de reacción disminuye.

Para investigar Los catalizadores de nuestro organismo se llaman enzimas, las que son muy importantes para el correcto y oportuno funcionamiento del mismo. En grupos de cuatro, investiguen qué función cumplen las enzimas en el sistema digestivo y qué sucedería con nuestra nutrición si ellas no existieran. Los resultados de su investigación preséntenlos en una disertación al curso. La modifi cación de la velocidad de una reacción química, ya sea a través de catalizadores o inhibidores, es una importante área de estudio científico, dada sus aplicaciones industriales, biológicas, medicinales, etcétera.

Test Conteste las siguientes preguntas. 1 ¿Cuáles son los factores que inciden en la velocidad de reacción?

2 ¿De qué forma la variación de temperatura afecta la velocidad de reacción?

3 ¿Cómo puede aumentar la velocidad de una reacción química en la que participa un sólido?

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Módulo 5 Átomos, moléculas y reacciones químicas

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Síntesis

A modo de resumen de la Unidad 2, complete el siguiente mapa conceptual. Compare su trabajo con el de sus compañeros o compañeras de curso. Reacciones químicas están afectadas por la ley de

Conservación de la masa

se incrementa con mayor número de la que es afectada por distintas variables, como

la que indica que la masa total de los de los

Nivel de disgregación de reactante Naturaleza de los reactantes

Concentración

cuando es mayor aumenta

Reactantes es igual a la masa total de los

cuando es mayor aumenta cuando es mayor aumenta

consigue aumentar velocidad de reacción porque disminuye la

Inhibidor

consigue disminuir velocidad de reacción porque aumenta la

Para profundizar 1 http://www.deciencias.net/simulaciones/quimica/ reacciones/concentra.htm (Apoyo a los contenidos: velocidad de reacción y concentración).

4 http://www.profesorenlinea.cl/Quimica/ ReaccionQuimVelocidad.htm (Apoyo a los contenidos: velocidad de una reacción química).

2 http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_fyq3/ tema6/index6.htm (Apoyo a los contenidos: reacciones químicas).

5 http://www.hiru.com/quimica/velocidad-dereaccion-ecuacion-de-velocidad (Apoyo a los contenidos: la ecuación de velocidad).

3 http://www.rena.edu.ve/TerceraEtapa/Quimica/ ReaccionesQuimicas.html (Apoyo a los contenidos: reacciones químicas).

Unidad 2 Factores que afectan a las reacciones químicas

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EVALUACIÓN Resuelva cada pregunta y compare los resultados de su trabajo con el de sus compañeros y compañeras y consulte a su profesor o profesora las dudas que tenga. Trabaje aquellos temas que necesita fortalecer. 1 Describa la siguiente reacción química, indicando lo que sucede con las sustancias reactantes: H2

CI2

2 HCI

a) ¿Por qué se forman dos moléculas de HCl en la reacción anterior? b) ¿Cuántas moléculas de HCl se formarían si reaccionan dos moléculas de H2 con dos moléculas de Cl2? ¿Por qué?

2 En un experimento se calentaron 24 g de un metal. Luego, se transformó en una sustancia blanca, cuya masa resultó ser de 40 g. ¿Cómo se explica esta diferencia, según el principio de conservación de la masa?

3 Observe las siguientes imágenes de madera. ¿Cuál de ellas arderá con mayor velocidad? ¿Por qué?

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Módulo 5 Los seres vivos y su interacción con el ambiente

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4 Explique de qué manera afecta la temperatura a la velocidad de una reacción. Aplique la teoría de las colisiones en su explicación.

5 ¿Por qué la velocidad de una reacción determinada aumenta con la presencia de un catalizador?

6 ¿Cómo afecta la concentración de las sustancias a la velocidad de reacción? Utilice la teoría de las colisiones en su explicación.

7 Se realizaron 4 experimentos para determinar el efecto de la concentración de HCl en la velocidad de la siguiente reacción: Mg + 2 HCl

MgCl2 +

Para lo anterior, se mantuvo constante la cantidad de Mg y se fue variando la concentración de HCl. Se midió el tiempo para obtener 50 mL del gas H2. Los datos obtenidos son: Tiempo (en segundos) para obtener 50 mL de H2

Experimento

Concentración de HCl

200

350

0,5

700

¿Qué conclusión puede obtener de los datos de la tabla?

8 ¿Cómo se puede medir la velocidad de reacción?

Unidad 2 Factores que afectan a las reacciones químicas

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MÓDULO

6 1

Materia y energía

Para trabajar en grupos Respondan en parejas las siguientes preguntas y, luego, comenten con el curso sus respuestas. 1 ¿En qué partes de la escena podría afirmar que hay transferencias de energía? 2 ¿Qué transformaciones puede experimentar la energía? ¿Qué ejemplos muestra la escena? 3 ¿Qué es el calor? ¿Cómo se relaciona con la temperatura? 4 ¿Hay transferencias de energía en las reacciones químicas?

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Módulo 6 Materia y energía

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UNIDAD

Temperatura y energía

Ley de conservación de la energía

Objetivos Fundamentales Se espera que al término del Módulo 6, usted haya desarrollado la capacidad de: 1 Reconocer que en un sistema convergen diversas formas de energía, ser capaces de identificarlas y de reconocer que la energía total de un sistema aislado se conserva. 2 Valorar el uso responsable de la energía de modo que sea sustentable para las nuevas generaciones.

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UNIDAD

Temperatura y energía

Para comenzar

Observe, junto con un compañero o compañera, las siguientes imágenes y describa lo que ve. Luego, respondan las preguntas. 1

1 En la fotografía 1, ¿qué transformaciones y transferencias de energía tienen lugar? 2 Considerando que endo significa “dentro” y exo “fuera”, la reacción química planteada en la ilustración 2 ¿es endotérmica o exotérmica? 3 De las fotografías 1 y 3, ¿en cuál se absorbe energía y en cuál se libera energía? 4 En la reacción de combustión de la fotografía 3, ¿cuál es el combustible y cuál el comburente?

Aprendizajes esperados En esta unidad, usted trabajará para conseguir los siguientes aprendizajes: 1 Comprender que toda reacción química involucra transformaciones y transferencias de energía. 2 Identificar reacciones químicas exotérmicas y endotérmicas. 3 Describir la combustión de una sustancia como una reacción química que requiere oxígeno y libera energía en forma de calor. 4 Relacionar entre sí las escalas Celsius y Kelvin de medición de temperatura.

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Módulo 6 Materia y energía

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UNIDAD

¿Cómo se manifiesta la energía? La energía es una propiedad de la materia que se manifiesta de múltiples formas. Es así como existe la energía del Sol, la energía eléctrica, la energía geotérmica, la energía eólica, y muchas más que se irán conociendo en los cursos de ciencias naturales.

DESAFÍO ¿Por qué el Sol es beneficioso para la vida?

La mayor parte de la energía que utiliza el hombre proviene del Sol. • El Sol provoca los fenómenos atmosféricos como la lluvia y la nieve, que al caer a la superficie de la Tierra forman los ríos y lagos, cuyas aguas son captadas por las centrales generadoras hidroeléctricas. Aquí se produce la energía eléctrica que llega a las ciudades, industrias y hogares. • El Sol hace posible el desarrollo de la vida vegetal mediante el proceso conocido como fotosíntesis. Los productos vegetales son consumidos por los animales, y la carne de éstos, a su vez, es consumida por los humanos. En todos estos procesos, la energía proveniente del Sol se transfiere a la Tierra, y se transforma; por ejemplo, de energía de movimiento del agua en energía eléctrica, como en las centrales hidroeléctricas. Otras formas de energía son: química, luminosa, sonora, de movimiento (o cinética), térmica, etc.; por ejemplo, los combustibles poseen energía química.

El Sol aporta la energía para la vida en la Tierra. Las plantas la transforman en alimento.

Actividad individual Transformación de la energía Desarrolle la siguiente actividad experimental. 1 Registre en la tabla siguiente la principal transformación de energía que se produce en cada uno de los siguientes ejemplos. Compare sus respuestas con sus compañeros y compañeras. Aparato

De energía

A energía

Ampolleta

eléctrica

luminosa

Automóvil Estufa a gas Ventilador Bicicleta Altavoces Generador eólico

2 ¿Cuál es la principal característica de los tubos fluorescentes en comparación con las ampolletas de filamento incandescente?

Unidad 1 Temperatura y energía

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Calor y temperatura DESAFÍO ¿Cuál es la diferencia entre calor y temperatura?

¿Qué sensación experimenta cuando acerca las manos al fuego? ¿Y cuando sostiene una copa bien helada? En estas situaciones existen dos conceptos que permiten describir y comparar las distintas sensaciones anteriores. El primero de ellos, el calor, describe el intercambio de energía que tiene lugar entre dos cuerpos que se encuentran a diferente temperatura. La energía, a su vez, se refiere a una propiedad de los cuerpos, aislados o en interacción con otros. En la fotografía, la temperatura de las brasas puede ser de varios cientos de grados Celsius, y la del cuerpo humano es de apenas 37 °C. Esta diferencia de temperatura provoca la existencia de una transferencia de energía desde las brasas hacia las manos y hacia todo otro objeto del entorno. Esta transferencia de energía es lo que se denomina calor.

En la otra fotografía, la situación es opuesta a la anterior. La mano está a mayor temperatura que la copa de cerveza, por lo que ahora es la mano la que transfiere energía al vaso y su contenido. Esta energía transferida, al igual que en la situación de las brasas, recibe el nombre de calor.

En síntesis, todo cuerpo posee temperatura pero no calor, aun cuando el lenguaje diario induce a confundirlos; por ejemplo, en un día caluroso de verano, se dice coloquialmente “hace mucho calor” cuando debiera decirse “la temperatura ambiente está muy alta”. Mientras mayor es la temperatura de un cuerpo, también lo es la energía de sus moléculas. Sólo puede usarse el concepto de calor cuando el cuerpo interactúa térmicamente con otro.

Actividad individual Transferencia de energía Desarrolle la siguiente actividad experimental. Analice las siguientes situaciones desde el punto de vista de los conceptos de calor y temperatura. Situación

Transferencia de energía (calor)

Temperatura mayor

Tocar una ampolleta encendida.

De la ampolleta a la mano.

Ampolleta

Saborear un helado. Servirse un café al desayuno. Nadar en el mar.

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Módulo 6 Materia y energía

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UNIDAD

Reacciones químicas y energía En una reacción química pueden suceder transferencias de energías entre los reactantes y el medio; por ejemplo, habrá observado más de una vez el funcionamiento de un soplete para soldar, el cual desprende tal cantidad de energía que puede fundir incluso al acero para soldarlo. La energía que libera un soplete proviene de la reacción química entre hidrógeno y oxígeno, la que también produce vapor de agua. El ejemplo del soplete es sólo uno entre un gran número de reacciones químicas en las cuales, junto con formarse una nueva sustancia, se libera una gran cantidad de energía. También existen procesos y reacciones químicas en que se absorbe energía.

GLOSARIO La radiación es la emisión de luz, calor o cualquier otro tipo de energía por parte de un cuerpo.

La temperatura que se genera en la llama de un soplete es tan alta que la radiación que emite es peligrosa para la visión directa.

Reacciones endotérmicas y exotérmicas Las reacciones químicas en las que se libera energía, como en el ejemplo del soplete, se denomina exotérmica, porque hay una transferencia desde los reactantes hacia el medio exterior. En cambio, cuando reacciona el vapor de azufre con el carbono, por ejemplo, se forma sulfuro de carbono, pero se absorbe energía. Una reacción como esta se denomina endotérmica. En los dos tipos de reacciones anteriores, se forma uno o más compuestos a partir de los reactantes. En los siguientes laboratorios, podrá distinguir entre procesos y reacciones químicas endotérmicas y exotérmicas.

Ácido sulfúrico concentrado

Aumento de la temperatura del agua

Agua

Al agregar ácido sulfúrico concentrado al agua, se libera energía.

Unidad 1 Temperatura y energía

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Disolución de la sal de fruta Cuando se vacía un sobre de sal de fruta en un vaso con agua, ¿qué transferencias de energía tienen lugar al disolverse la sustancia? ¿Depende esta energía de la temperatura del agua? La siguiente actividad permitirá encontrar las respuestas.

DESAFÍO El proceso de disolución de la sal de fruta, ¿absorbe o libera energía? Laboratorio

Exploremos la sal de la fruta Desarrollen en grupo la siguiente actividad experimental. 1 Consigan los siguientes materiales: sal de fruta en tabletas o en sobres, un vaso de precipitado de 250 mL o similar, termómetro de laboratorio y agua de la llave. 2 En el vaso de precipitado vacíen una pequeña cantidad de agua de la llave (no más de 20 mL). Midan su temperatura: T agua = ………… °C 3 Manteniendo el termómetro en el interior del vaso, disuelvan una dosis de sal de fruta, observando lo que marca el termómetro. Describan lo que ocurre cuando la sal de fruta se disuelve. ¿La temperatura se mantiene, sube o desciende? ¿Qué temperatura final tiene la disolución?

T final mezcla = ……….. °C 4 Enseguida, investiguen la influencia de la temperatura. Para esto, repitan la actividad anterior con agua tibia en el vaso de precipitado, y después con agua caliente. Midan la temperatura del agua cada vez y completen la tabla siguiente. Agua fría

Agua tibia

Agua caliente

T inicial (°C) T final (°C)

5 La disolución de la sal de fruta, ¿a qué tipo de proceso corresponde respecto a la transferencia de energía? ¿Por qué? 6 ¿Cómo afecta la temperatura inicial del agua en la variación de temperatura del proceso observado? 7 Preparen un informe de esta actividad y expónganlo ante el curso. 168

Módulo 6 Materia y energía

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UNIDAD

Reacciones químicas endotérmicas ¿Qué sensación térmica recuerda haber sentido al colocar un poco de alcohol en la piel? Mediante la siguiente actividad práctica se puede estudiar tal efecto térmico.

DESAFÍO ¿Cuándo una reacción química es endotérmica?

Laboratorio Temperatura y alcohol Desarrollen en grupo la siguiente actividad experimental. 1 Consigan un termómetro de laboratorio, un poco de alcohol, toalla de papel o algodón. 2 ¿Qué temperatura marca el termómetro?

T ambiente = …………………°C 3 Humedezcan un trozo de toalla de papel o una mota de algodón con alcohol y envuelvan el bulbo del termómetro con él, lo más compacto que pueda. Déjenlo en posición horizontal sobre la mesa de trabajo. 4 Midan la temperatura que marca el termómetro. ¿Sucede algo con la temperatura que les llame la atención? 5 ¿Qué explicación podría darse a lo observado? Discutan con sus compañeros y compañeras los resultados obtenidos. 6 Comparen el estado en que se encuentra el papel o algodón después de algunos minutos de haber estado en contacto con el termómetro. A continuación, contesten las siguientes preguntas. 7 El proceso ocurrido al alcohol, ¿fue endotérmico o exotérmico? ¿Por qué?

8 ¿De dónde proviene la energía que se absorbe o libera en el proceso observado?

9 Expongan su trabajo ante el curso.

Unidad 1 Temperatura y energía

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Anteriormente se hizo disolver una sustancia tan común como lo es la sal de fruta en agua. ¿Qué sucederá cuando se hace reaccionar químicamente el azufre con el hierro? ¿Qué transferencias de energía tendrá lugar? Formulen posibles predicciones a estas interrogantes, y sus explicaciones.

Laboratorio Reacción de azufre y hierro Desarrollen en grupo la siguiente actividad experimental. 1 Consigan los siguientes materiales: azufre, limaduras de hierro, agua destilada, un tubo de ensayo y pinza, una pipeta o gotario, una cucharita, un mechero, gradilla. 2 Manteniendo el tubo de ensayo con la pinza, mezclen cantidades iguales de azufre y limaduras de hierro en el interior del tubo. Como medida puede servir un tercio de la cucharita. Para vaciar el azufre y las limaduras al tubo de ensayo, usen un pequeño embudo de papel.

ATENCIÓN Dirijan el extremo abierto del tubo de ensayo hacia un sector sin personas y no inhalen los gases de la reacción.

3 Observen y describan, a continuación, la mezcla de azufre y limaduras de hierro.

4 Agreguen unas pocas gotas de agua destilada a la mezcla, y acerquen con cuidado el tubo de ensayo con la pinza al mechero. 5 Giren suavemente el tubo de ensayo para calentar en forma uniforme la mezcla del interior. Observen atentamente el interior del tubo hasta que la mezcla cambie de color (se forma una sal llamada sulfuro de hierro). 6 Describan la forma y color del producto que se formó en el interior del tubo de ensayo.

7 Sin calor, ¿se habría producido la reacción? ¿Por qué?

8 La reacción producida, ¿fue endotérmica o exotérmica? ¿Por qué?

9 Preparen un informe para exponer ante el curso.

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Módulo 6 Materia y energía

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UNIDAD

Reacciones químicas exotérmicas Las reacciones químicas en las que hay liberación de energía se denominan exotérmicas. ¿Cómo se manifiesta esta liberación de energía? En la siguiente actividad experimental lo indagaremos.

DESAFÍO ¿Cómo se manifiesta una reacción exotérmica?

Laboratorio Experimentemos con soda cáustica Desarrollen en grupo la siguiente actividad experimental. 1 Consigan los siguientes materiales: algunas lentejas de hidróxido de sodio (soda cáustica), un vaso de precipitado de 250 mL o similar, termómetro de laboratorio, cucharita plástica, varilla de agitación o similar, soporte para termómetro, hilo para colgar el termómetro, agua de la llave. 2 ¿Qué creen podría suceder al disolver lentejas de hidróxido de sodio en un poco de agua? Discutan y predigan sobre la base de las actividades realizadas anteriormente. 3 Vacíen una pequeña cantidad de agua de la llave al vaso de precipitado, unos 15 mL, y midan su temperatura. T agua = ………… °C 4 Pongan media cucharita de lentejas de hidróxido de sodio en el agua del vaso de precipitado, y agiten con la varilla hasta que todo el hidróxido de sodio se disuelva en el agua.

ATENCIÓN Eviten tocar directamente el hidróxido de sodio puro o disuelto en agua.

5 A medida que el hidróxido de sodio se disuelve, toquen el fondo del vaso con la palma de la mano. ¿Sienten algo que les llame la atención? Si no, repitan la actividad agregando una cantidad mayor de hidróxido de sodio al agua. 6 Midan con el termómetro la temperatura de la disolución. T disolución = ……….. °C 7 De acuerdo a la medición, la reacción química anterior, ¿absorbió o liberó energía? ¿De dónde provino tal energía? ¿Cómo clasifican entonces esta reacción química? 8 ¿Sucede lo mismo con todas las sustancias que se disuelven en agua? ¿Por qué? 9 Redacten un informe de esta actividad y expónganlo ante el curso.

Unidad 1 Temperatura y energía

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Con agua y alcohol común se puede realizar una mezcla para estudiar si su reacción corresponde a un proceso exotérmico o endotérmico. Formulen predicciones acerca de lo que sucederá al mezclar iguales cantidades de alcohol y agua.

Laboratorio Agua y alcohol Desarrollen en grupo la siguiente actividad experimental. 1 Consigan los siguientes materiales: dos vasos de precipitado de 250 mL o similar, un termómetro de laboratorio, 100 mL de alcohol etílico, agua, varilla de agitación. 2 Vacíen los 100 mL de alcohol a un vaso de precipitado y midan su temperatura. Echen 100 mL de agua fría en el otro vaso y también midan su temperatura.

T alcohol = ………… °C

T agua = ………… °C

3 Mezclen el agua con el alcohol en el vaso que contiene a este último, y agiten vigorosamente la mezcla con la varilla. Midan la temperatura de la mezcla.

T mezcla = ………… °C

4 Comparen sus resultados del experimento con sus predicciones. La transferencia de energía de la mezcla, ¿fue endotérmica o exotérmica? ¿Por qué?

5 ¿Qué sucedería si se mezclan cantidades desiguales de agua y alcohol? ¿Se obtendrían los mismos resultados? Discutan con sus compañeros y compañeras.

6 Preparen un informe de esta actividad y expónganlo ante el curso. 172

Módulo 6 Materia y energía

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UNIDAD

Una reacción con ácido muriático El ejemplo del laboratorio anterior es una de las muchas reacciones químicas de carácter exotérmico. Veamos qué sucede ahora cuando se pone ácido muriático sobre monedas.

DESAFÍO ¿Cómo reacciona un metal con ácido muriático?

Laboratorio Experimentemos con ácido muriático Desarrollen en grupo la siguiente actividad experimental. 1 Consigan los siguientes materiales: un vaso de precipitado de 100 mL y otro de 250 mL o similares (uno debe poder introducirse holgadamente en el más grande), un termómetro de laboratorio, 10 mL de ácido clorhídrico (conocido como ácido muriático), una pipeta, agua, tres monedas de un peso. 2 Armen un baño María con los dos vasos de precipitado, colocando las monedas en el vaso interior. Recuerden que en el baño María el agua debe rodear al vaso interior. 3 Midan la temperatura del agua del vaso exterior. T agua = ………… °C 4 Con la pipeta vacíen una pequeña cantidad de ácido sobre las monedas hasta cubrirlas.

ATENCIÓN Realicen esta actividad en un lugar aireado y no inhalen cerca de la reacción.

5 Observen y describan la reacción que se produce en el interior del vaso pequeño. ¿Cómo podrían determinar si esta reacción fue exotérmica o endotérmica? 6 Midan la temperatura del agua del baño María. T agua = ………… °C 7 Preparen un informe de esta actividad y expónganlo ante el curso.

Unidad 1 Temperatura y energía

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La combustión DESAFÍO ¿Cómo influye el oxígeno en la combustión?

Una de las primeras reacciones químicas que el hombre aprendió a manejar para su provecho fue la del fuego. En efecto, el hombre primitivo cocinaba sus alimentos y se protegía del frío mediante el fuego. Ahora también lo hacemos, pero en condiciones controladas, utilizando una cocina, ya sea a leña, a gas o eléctrica. ¿Cómo se produce el fuego? ¿Cuáles son sus reactantes? ¿Qué produce el fuego? ¿Por qué es tan peligroso? Lo invitamos, en el siguiente laboratorio, a descubrir algunas propiedades y manifestaciones del fuego. En el siguiente laboratorio podrá diferenciar y reconocer los reactantes de la combustión de una vela.

Laboratorio La combustión de un vela

ATENCIÓN Toda llama es peligrosa. Manipulen cuidadosamente el fósforo y la vela.

Desarrollen en grupo la siguiente actividad experimental. 1 Para esta actividad necesitan una vela pequeña, un plato, un vaso de precipitado más alto que la vela (o un vaso de la misma característica), plasticina y fósforos. 2 Investiguen de qué materiales está hecha una vela. 3 Enciendan la vela y describan su llama. ¿Cuántas partes y colores distinguen en ella? 4 En el proceso de combustión que observan, ¿cuál es el combustible y cuál el comburente?

GLOSARIO Combustible: cualquier sustancia que puede arder. Comburente: que provoca o favorece la combustión.

5 ¿Cómo podrían eliminar la participación del comburente en esta reacción? Discutan con sus compañeros y compañeras. 6 Coloquen el vaso invertido sobre la vela encendida, cuidando que no queden espacios entre el borde del vaso y la mesa. Tapen con plasticina si fuese necesario.

7 Describan lo que sucede con la vela después de un momento. ¿Cómo se explica? 8 La reacción de combustión que produce la llama, ¿es endotérmica o exotérmica? ¿Por qué? Discuta con sus compañeros y compañeras. 9 Preparen un informe y expongan ante el curso.

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Módulo 6 Materia y energía

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UNIDAD

En la actividad práctica anterior, se observó una reacción de combustión en una vela, produciéndose hollín y una gran liberación de energía en forma de llama. Por lo tanto, esta reacción de combustión corresponde a una reacción exotérmica. La combustión es una reacción en la que intervienen un combustible y un comburente. Entre los combustibles más comunes se puede citar al papel, leña, parafina y gases como el propano y metano. El oxígeno del aire participa en la reacción como comburente, por lo que toda combustión es un proceso de oxidación. Los productos de la combustión se pueden agrupar en sustancias nuevas y energía. Entre las sustancias nuevas se encuentran el dióxido de carbono, el hollín y el vapor de agua. La energía liberada corresponde a la luz emitida por la llama y al calor transferido al ambiente, el cual se percibe acercando la mano a la vela. Toda combustión se produce por las transformaciones y transferencias de energía entre los reactantes y los productos de la reacción química. La transferencia de calor al ambiente desde una llama se realiza principalmente hacia arriba, lo que se siente al intentar acercar la mano a la llama desde arriba. ¿Hasta qué distancia se puede acercar la mano a la llama por un lado de ella? ¿Es la misma distancia que por arriba? En síntesis, la reacción de combustión se puede representar de la siguiente manera: Combustible + comburente (oxígeno)

otras sustancias + energía

La combinación química del oxígeno con cualquier otro elemento o compuesto se denomina oxidación. El carbón, la leña, la vela, no reaccionan espontáneamente con el oxígeno a temperatura ambiente. Necesitan la energía proporcionada por una llama; por ejemplo, la de un fósforo. Cuando la oxidación produce incandescencia, la reacción se denomina combustión.

Para investigar La oxidación 1 Investiguen en qué consisten los procesos de oxidación, representándolos como en el esquema anterior, identificando las sustancias que participan y los productos que se obtienen para un árbol o un ser humano. 2 Indaguen respecto a la importancia de los procesos anteriores para la vida. 3 Averigüen qué otros procesos de oxidación existen en la naturaleza, además de la combustión.

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Productos de la combustión ¿Qué productos nuevos se forman durante la combustión de una vela encendida? Entre las sustancias nuevas se encuentran el dióxido de carbono, el hollín y el vapor de agua. Esta reacción se puede representar de la siguiente manera: Combustible + comburente (oxígeno)

dióxido de carbono + hollín + vapor de agua + energía

En la siguiente actividad podrá reconocer algunos productos de la combustión.

Laboratorio Experimentemos con la combustión Desarrollen en grupo la siguiente actividad experimental. 1 Consigan los siguientes materiales: 1 vela pequeña, un plato, un vaso de precipitado de 1 litro o jarro de vidrio similar, 1 probeta graduada, fósforos, 2 tubos de ensayo, tapón horadado con tubo en L insertado, solución de agua oxigenada acidificada, dióxido de manganeso, agua de cal, cuchillo plástico, bombilla para bebida. Primera parte 2 Enciendan la vela y fíjenla al plato. 3 Coloquen cuidadosamente el vaso invertido sobre la vela, pero manteniendo un borde levantado. Cuando la vela comience a apagarse, permitan que entre más aire al vaso, levantando su borde. ¿Qué se observa?

4 Repitan la acción anterior, pero soplando levemente por la abertura del borde levantado. ¿Qué sucede ahora? Comparen con lo observado en el punto anterior.

5 Cuando se coloca el vaso sobre la vela encendida, ¿qué se observa en las paredes interiores del vaso?

6 Además de lo observado en el punto anterior, ¿qué otro producto visible de la combustión pueden reconocer en el interior del vaso?

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UNIDAD

Laboratorio 7 Según lo observado en los puntos anteriores, respondan: a) ¿Se verificó la participación del aire en el proceso de la combustión? Expliquen.

b) ¿En cuál caso la vela permaneció más tiempo encendida, antes de apagarse? ¿Cómo se explica esto?

Segunda parte 8 Coloquen con la probeta 5 mL de solución de agua oxigenada acidificada en el tubo de ensayo. 9 Agreguen con el cuchillo una pequeña cantidad de dióxido de manganeso al tubo de ensayo, y tápenlo con el tapón que tiene el tubo en L. En esta reacción química, escapará oxígeno por el tubo en L. 10 Enciendan la vela y aproximen el extremo del tubo en L a la llama, como muestra la imagen. 11 Describan y expliquen lo que le sucede a la llama.

Tercera parte 12 Agreguen ahora agua de cal a un tubo de ensayo y háganla burbujear con la bombilla para bebida, soplando dentro del líquido. ¿Qué se observa en el líquido?

13 Enjuaguen el interior del vaso de precipitado con unos 10 mL de agua de cal, girándolo para que su pared interna quede impregnada. Vacíen el resto del agua de cal del vaso de precipitado. 14 Coloquen cuidadosamente el vaso invertido sobre la vela encendida y describan lo que sucede en el interior del vaso de precipitado. 15 Hagan un resumen de todas las observaciones y explicaciones. Expónganlo ante el curso.

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Escalas de temperatura Celsius y Kelvin DESAFÍO ¿Cuál es la diferencia entre las escalas Celsius y Kelvin?

GLOSARIO La dilatación térmica es la variación del volumen de un cuerpo por la acción del calor.

Como bien sabe, para medir la temperatura de un cuerpo se utiliza un instrumento llamado termómetro. Su funcionamiento se basa en la propiedad de la dilatación térmica de algunos materiales. El termómetro de laboratorio contiene comúnmente alcohol al que se le agrega un colorante para hacer visible su dilatación. El líquido se encierra en un delgado tubo llamado capilar, el que comunica con un extremo abultado, el bulbo. Este extremo es el que se pone en contacto con el cuerpo al que se mide su temperatura. Cuando el termómetro se pone en contacto con un cuerpo caliente, se establece una transferencia de energía hacia la sustancia líquida del termómetro. De este modo, la columna líquida aumenta su longitud hasta llegar a un estado de equilibrio, marcando la temperatura del cuerpo de acuerdo a la escala del termómetro. Existen muchos tipos de termómetros según su utilización. Entre los más comunes están el termómetro clínico y el de laboratorio. ¿En qué consisten?

Termómetro clínico.

Para definir una escala termométrica apropiada para el termómetro, se requieren dos puntos de referencia que se marcan en él. En la escala Celsius, los dos puntos de referencia son: el punto de solidificación del agua, asignándole la temperatura de 0 °C, y su punto de ebullición al que se asigna el valor de 100 °C. La distancia entre estos dos puntos se divide en 100 partes iguales o grados Celsius, y no grados centígrados como se dice habitualmente. Si bien la escala Celsius es la de uso común en la vida diaria, los científicos utilizan otra denominada escala Kelvin. Una de sus características consiste en que no tiene valores negativos, simplificándose su utilización. La ilustración muestra la relación entre estas dos escalas.

Termómetro de laboratorio.

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Síntesis

A modo de resumen de la Unidad 1, complete el siguiente mapa conceptual. Compare su trabajo con el de sus compañeros y compañeras de curso. es una

Energía

que puede

Propiedad

Transferirse

se manifiesta en

como por ejemplo el

por ejemplo por una diferencia de

Energía química Temperatura

la cual provoca

se mide en

Reacciones químicas las que pueden ser

Escala Kelvin como la

Endotérmicas cuando

cuando

Libera energía

sus reactantes son

Combustible como el

como el

Carbón

Oxígeno

Para profundizar 1 http://www.educared.net/concurso2001/410/ reaccion.htm (Apoyo a los contenidos: reacciones químicas endotérmicas y exotérmicas). 2 http://www.visionlearning.com/library/module_ viewer.php?c3=&mid=54&l=s (Apoyo a los contenidos: reacciones químicas en general). 3 http://www.profesorenlinea.cl/cursos/6ciencias. html (Apoyo a los contenidos: las propiedades de la energía y sus intercambios).

4 http://newton.cnice.mec.es/materiales_ didacticos/energia/ (Apoyo a los contenidos: tipos de energía, sus transformaciones y fuentes de energía). 5 http://www.hiru.com/fisica/concepto-y-medidade-la-temperatura (Apoyo a los contenidos: temperatura y energía).

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EVALUACIÓN 1 Responda el siguiente cuestionario en los espacios correspondientes. a) Nombre algunas formas en que se manifiesta la energía.

b) ¿Cuál es la diferencia principal entre una reacción química endotérmica y una exotérmica?

c) ¿Cómo se denomina a la energía transferida entre dos cuerpos, originada en una diferencia de temperatura? d) Al disolver sal de fruta en agua, ¿se libera o absorbe energía? Explique.

e) ¿Qué características tienen las reacciones químicas respecto a la energía? f) ¿Cuáles son los reactantes y productos principales de la combustión? g) Al mezclar agua y alcohol, ¿la reacción absorbe o libera energía? Explique.

h) ¿Qué le sucede a una llama al no haber suministro de oxígeno? i) ¿En qué reacción química se producen dióxido de carbono y hollín? j) ¿Son sinónimos los conceptos de calor y temperatura? Ilustre su respuesta con algún ejemplo.

k) ¿En qué propiedad térmica de los materiales se basa el funcionamiento de los termómetros de mercurio o de alcohol? l) ¿Qué ventaja ofrece la escala de temperatura Celsius respecto a la Kelvin para su utilización en la vida diaria?

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2 Seleccione las alternativas correctas de entre las siguientes para completar cada una de las frases que se enuncian a continuación: a) Exotérmica. b) Endotérmica. c) Dióxido de carbono, hollín, vapor de agua, energía. d) Transformarse y transferirse. e) Cien grados Celsius. f) Diferencia de temperatura. g) Positivos. h) El combustible y el comburente. • La transferencia de energía como calor entre dos cuerpos se origina en una • Los reactantes de una reacción de combustión son • La energía puede • Una reacción química que libera energía se denomina • En la escala Kelvin, las temperaturas son siempre números • Una reacción química que absorbe energía se denomina • Los principales productos de la combustión de una vela son • La temperatura de ebullición del agua en la escala Celsius es 3 Complete la siguiente tabla. Reacción química

¿Endotérmica o exotérmica?

Mezcla de agua y alcohol. Funcionamiento de un soplete a gas. Disolución de sal de fruta en agua. Azufre con limaduras de hierro. Ácido muriático con metal. Evaporación del alcohol. La combustión del carbón. Disolución de soda cáustica. La combustión de una vela.

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UNIDAD

Ley de conservación de la energía

Para comenzar

Observe, junto con un compañero o compañera, las siguientes imágenes y, luego, respondan las preguntas. 1

1 ¿En cuál o cuáles situaciones que se muestran en las imágenes hay una transferencia de energía de un cuerpo a otro? Describa. 2 ¿En cuál o cuáles situaciones que se muestran en las imágenes hay una transformación de energía de una forma a otra? Describa. 3 Según la imagen N° 3, ¿podría haber una transferencia de energía a otro cuerpo? ¿Cómo? Explique. 4 En la imagen N° 1, ¿toda la energía eléctrica que enciende la ampolleta se transforma en energía luminosa? ¿Por qué?

Aprendizajes esperados En esta unidad, usted trabajará para conseguir los siguientes aprendizajes: 1 Reconocer las múltiples formas en las que se manifiesta la energía durante los procesos naturales. 2 Describir las relaciones entre trabajo y energía. 3 Reconocer que la energía se conserva constante en el Universo y que en todos los procesos esta no se “pierde”, sino que se transforma en otros tipos o se transfiere a otros cuerpos durante los procesos.

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UNIDAD

Manifestaciones de la energía En nuestros hogares se encuentran habitualmente múltiples y variadas formas de energía. Al efectuar un recorrido por los diferentes ambientes de un hogar típico, ¿qué formas de energía se podrían encontrar? 1 El timbre produce un sonido.

DESAFÍO ¿Qué formas de energía existen en el hogar?

2 Al encender una ampolleta, se percibe luz desde ella, o bien la que es reflejada por otros objetos. 3 Al encender la cocina a gas, se produce una llama visible y detectable al tacto, para cocinar o calentar los alimentos. 4 Los alimentos que se ingieren permiten caminar y realizar todas las tareas del diario vivir. 5 Al encender la estufa, a parafina o a gas, se percibe una sensación cálida, originada por una reacción química del combustible que contiene. 6 El equipo de música emite sonidos diversos desde sus parlantes. 7 La plancha eléctrica con la que se plancha la ropa, se calienta (genera energía térmica). 8 La batidora agita la mezcla con la rotación de sus varillas metálicas (proporcionándole energía cinética de rotación).

Actividad individual Energía doméstica 1 Sobre la base del listado anterior de situaciones, una con una línea las dos últimas columnas de la tabla siguiente. La primera columna corresponde a la situación planteada arriba, y la segunda expresa su principal forma de energía. Situación

Energía

Se transforma en energía:

eléctrica

térmica y luminosa

eléctrica

cinética

del gas

sonora

química

térmica

química

sonora

eléctrica

luminosa

eléctrica

energía cinética de rotación

eléctrica

térmica

2 ¿Existirán otras formas de energía en cada ejemplo, además de las apuntadas en la última columna de la tabla? Responda en su cuaderno.

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Características de la energía DESAFÍO ¿Cuáles son las características de la energía?

Una característica importante de la energía es su capacidad para transformarse de una forma de energía a otra, o transferirse a otros cuerpos; por ejemplo, al conectar una ampolleta a la electricidad, emite luz que corresponde a energía luminosa. Al acercar la mano a la ampolleta encendida, se percibe la energía irradiada en forma de calor desde la ampolleta a la mano. Entonces, se puede afirmar que la energía eléctrica se transforma en energía luminosa y energía térmica, y estas, a su vez, se transfieren al ambiente. En todos los ejemplos en los que interviene la energía, es posible observar sus efectos y relacionarlos con las transformaciones y transferencias ocurridas, pero nunca hay creación de energía. Las siguientes situaciones ilustran diferentes ejemplos de transformaciones y transferencias de energía. El Sol aporta la energía para la vida en la Tierra. Las plantas la transforman en alimento.

El computador funciona con energía eléctrica. El sonido que genera a veces es también una forma de energía.

Para cocinar los alimentos se usa la energía del gas o de la electricidad.

ENERGÍA

La energía que aportan los alimentos permite correr, estudiar, hacer deportes, y muchas actividades más.

Los autos, motos, buses, aviones, etcétera, utilizan la energía de los derivados del petróleo para movilizarse.

Cuando se habla de la energía y su forma, su transformación y transferencia, tales palabras no deben interpretarse en forma literal. La energía no es algo material, sino que una propiedad de los cuerpos.

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UNIDAD

La energía cinética Para que un cuerpo salga del estado de reposo y se mueva, hay que suministrarle energía; por ejemplo, cuando el niño de la imagen lanza una piedra al agua. La energía de la piedra en este ejemplo se denomina energía cinética. Esta energía está asociada al movimiento de un cuerpo, es una cantidad que depende de su masa y de su velocidad. Cuanto mayor es la masa de la piedra o su velocidad, mayor es también su energía cinética. ¿Qué transformación o transferencia de energía acontece en el ejemplo anterior? Al impactar la piedra contra el agua, se escucha un ruido y se forman pequeñas olas que viajan en todas direcciones. Es decir, la energía cinética de la piedra, al transferirse al agua, se ha manifestado como energía sonora y energía de movimiento del agua.

Actividad individual Energía en movimiento Conteste las siguientes preguntas. 1 Observe las siguientes fotografías.

2 ¿Qué efectos provoca la energía cinética del martillo? ¿Cómo se manifi esta?

3 La fotografía de la derecha muestra la Luna y sus múltiples cráteres en su superfi cie, provocados por cuerpos rocosos pequeños. ¿Qué otros efectos provoca la energía cinética de tales cuerpos al impactar contra la superfi cie lunar?

4 ¿Qué otros ejemplos de manifestaciones de la energía cinética puede mencionar?

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La energía potencial El deporte del arco y la flecha puede ser útil para introducir el concepto de energía potencial. Primero, se aplica una fuerza para estirar la cuerda y tensar el arco; luego, se sueltan la cuerda y la flecha. A la energía del arco tensado, se le denomina energía potencial elástica, la cual es transferida a la flecha y se manifiesta como energía cinética de esta.

GLOSARIO

Cuando se acercan dos imanes, puede suceder que tiendan a atraerse o a repelerse, según la orientación de sus polos magnéticos. Suponiendo que se atraen, debe hacerse un esfuerzo para mantenerlos separados, y cuando se repelen debe hacerse un esfuerzo para acercarlos. La energía que interviene en estas situaciones se denomina energía potencial magnética.

Polos magnéticos: son los extremos de un imán, donde se concentra su mayor poder de atracción o repulsión.

Otro tipo de energía potencial se puede explicar con la ilustración de la izquierda. Los libros del estante, así como todo otro cuerpo, tienen lo que se denomina energía potencial gravitatoria, la que es mayor cuanto más alto se encuentra un objeto. Esta también puede transformarse, porque si un libro cae del estante, su energía potencial gravitatoria disminuye a la vez que aumenta su energía cinética.

Actividad individual Energía latente Responda las siguientes preguntas. 1 Cuando un niño lanza papelitos con un elástico estirado, ¿qué tipo de energía tiene el elástico? ¿Qué transformación de energía sucede? ¿Hay transferencia de energía?

2 En la ilustración de la estantería con libros, ¿qué libros tienen mayor energía potencial gravitatoria? ¿Por qué? ¿Cuál tendría mayor energía cinética al caer?

3 Toda sustancia tiene energía química debido a su estructura interior y composición. Se las puede considerar también como otra variedad de energía potencial. ¿De qué manera se manifi esta la energía que aportan los alimentos? ¿En qué otros tipos de energía se transforma?

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UNIDAD

La importancia de la energía y sus transformaciones Desde la antigüedad, el hombre aprendió a utilizar los recursos que la naturaleza puso a su disposición, mediante procesos y mecanismos en los que participa la energía. La rueda de la fotografía tiene por propósito extraer agua de un canal y utilizarla para el regadío, a partir de una serie de procesos de transferencias y transformaciones de energía.

DESAFÍO ¿Cómo puede el hombre aprovechar y transformar la energía?

¿Qué transferencias y transformaciones de energía ocurren en el ejemplo de esta rueda? • La energía cinética del agua del canal se transfiere a la rueda, y se manifiesta como energía cinética de rotación de ella; energía similar a la que tiene un ventilador. • Al girar, la rueda recoge agua del canal en recipientes distribuidos a lo largo de su circunferencia, y la eleva, por lo que aumenta la energía potencial gravitatoria del agua captada. • Luego, el agua cae desde los recipientes a un pequeño estanque en forma de canaleta, y desde aquí, desciende por tuberías hasta el lugar de su utilización, transformando su energía potencial gravitatoria en energía cinética.

Rueda de Larmahue (Pichidegua, región del General Bernardo O’Higgins), un ingenioso ejemplo mecánico de aprovechamiento y transformaciones de la energía.

Actividad individual Transferencias y transformaciones de energía A partir del ejemplo de la rueda de Larmahue, complete el siguiente párrafo. Después, compárelo con el trabajo de sus compañeros y compañeras. 1 Las transferencias de energía que ocurren en la rueda de Larmahue son las siguientes: • Del agua del canal a

y de esta al

2 Las transformaciones correspondientes de energía son: • Energía en

del agua del canal se transforma de la rueda.

• La energía de la rueda se transforma en energía del agua recogida, y esta energía se transforma, a su vez, en energía

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Como se ha visto hasta aquí, la energía puede experimentar muchos cambios. La propiedad general de ella que siempre se cumple, cualquiera sea su forma o manifestación, es la de poder transferirse a otro cuerpo o transformarse de una forma en otra. En la siguiente actividad podrán experimentar personalmente esta propiedad de la energía.

Laboratorio La rueda de la energía Desarrollen en grupo la siguiente actividad experimental. 1 Reúnan los siguientes materiales: un trozo de cartón grueso, varias tapas plásticas de bebida, un palo cilíndrico para maquetas, un bloque de madera o metal, una regla de 30 cm, hilo, alambre delgado, pegamento, tijera.

2 Dibujen en el cartón grueso dos discos de 20 cm de diámetro. Recórtenlos y perforen el centro de cada disco. 3 Atraviesen los dos discos con el palo cilíndrico, de modo que el sistema formado por los dos discos pueda girar fácilmente como una rueda. 4 Distribuyan y peguen firmemente las tapas plásticas en el borde entre los dos discos. 5 Cuelguen con un hilo el bloque de madera o metal al palo cilíndrico que atraviesa la rueda, como muestra la imagen. Tal bloque actuará como un contrapeso. 6 Finalmente, cuelguen de la regla todo el sistema armado mediante dos alambres, y colóquenlo de modo que la rueda quede debajo de una llave de agua, como se ve en la ilustración. Si no hay un desagüe, pongan un balde debajo de la llave.

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UNIDAD

Laboratorio 7 Ahora que el dispositivo está listo para funcionar, abran la llave para que salga un delgado hilo de agua. Paulatinamente, abran más y más la llave. Observen atentamente la rueda. ¿Qué transferencia de energía acontece mientras gira? Consideren en su respuesta los conceptos de energía potencial y cinética del agua que cae, y de la energía cinética de rotación de la rueda.

8 ¿Qué transformaciones de energía ocurren?

9 ¿Qué efecto provoca en la rueda el aumento del caudal de agua que cae desde la llave?

10 ¿Qué efecto tendría en la rotación de la rueda el hecho de dejar caer el agua desde una mayor altura, para un mismo caudal de salida del agua de la llave? Si las condiciones lo permiten, verifíquenlo experimentalmente.

11 Discutan alguna utilidad práctica que podría tener el mecanismo que armaron en esta actividad, y sus posibles inconvenientes.

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Central hidroeléctrica DESAFÍO ¿Qué transferencias y transformaciones de energía ocurren en una central hidroeléctrica?

La energía eléctrica es una de las formas más utilizadas de energía en la sociedad moderna. Hace funcionar muchos aparatos, tanto industriales como domésticos, y también es usada como energía primaria que se transforma en otras formas útiles; por ejemplo, energía luminosa, sonora, térmica, etc. A su vez, la energía eléctrica se puede obtener como resultado de otras formas de energía; por ejemplo, energía química. En nuestro país, un alto porcentaje de la energía eléctrica se genera en centrales hidroeléctricas en las regiones beneficiadas con abundantes lluvias.

Bocatoma

Río

Las sustancias contenidas en las pilas de una linterna almacenan energía química, la cual se transforma en energía eléctrica y esta, a su vez, en energía luminosa y térmica.

Patio alta tensión Caída

Turbina

Línea alta tensión

Generador

Subestación

Consumo público

En la mayoría de las centrales hidroeléctricas, el proceso de generación eléctrica se inicia en la bocatoma de un río en lo alto de una montaña. Aquí, el agua es desviada hacia una tubería que desciende desde la altura. Se produce así una primera transformación de energía en el agua: de potencial a cinética. La energía cinética del agua se transfiere a su vez a la turbina, una especie de rueda que adquiere energía cinética de rotación. Aquí, se encuentra el generador, un mecanismo electromagnético que funciona a partir de la energía cinética de rotación de la turbina, produciendo finalmente la energía eléctrica. Esta electricidad es conducida a un patio de alta tensión, desde donde se distribuye por líneas y subestaciones hasta los lugares de consumo.

Para investigar Centrales termoeléctricas En nuestro país, también existen otras centrales generadoras: las termoeléctricas, por ejemplo, especialmente ubicadas en las regiones donde las lluvias son más escasas. Investiguen sus principales diferencias con las centrales hidroeléctricas, en relación a las transferencias y transformaciones de energía.

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UNIDAD

Fuentes alternativas de energía Las denominadas fuentes alternativas de energía se refieren a los recursos que son prácticamente inagotables y menos contaminantes que los actualmente utilizados, como el petróleo, gas y carbón, que además se agotarán algún día. Varias fuentes alternativas de energía se desarrollan o explotan actualmente, entre ellas se encuentran las que proporcionan el viento, el interior de la Tierra y el Sol. A continuación, revisemos sus principales características.

DESAFÍO ¿Qué ventajas tienen las fuentes alternativas de energía?

La energía solar La radiación solar puede convertirse en energía térmica, en energía química y en electricidad. La imagen de la derecha muestra una de las diversas aplicaciones de la conversión de energía solar en energía térmica. Consiste en un gran reflector que concentra la energía solar en el lugar que ocupa la olla o cualquier otro utensilio doméstico que se desee calentar. Por su parte, la energía química es la que producen las plantas mediante el proceso de la fotosíntesis. En este proceso, las plantas utilizan la clorofila y la energía del Sol para producir carbohidratos, es decir, materia orgánica, recurso valioso para la cadena alimentaria. Del mismo modo, la radiación solar puede usarse para producir energía eléctrica, con ayuda de dispositivos de paneles, como el de la imagen de la izquierda, cuyo procedimiento de conversión es usado principalmente en comunidades alejadas de las redes principales de distribución eléctrica. Paneles solares.

Cocina solar.

La energía eólica Es la que se obtiene por la acción de los vientos que hacen girar las aspas de los aerogeneradores, es decir, los molinos especiales para generar electricidad, utilizados en regiones favorecidas por los persistentes vientos. Los molinos de viento han sido utilizados desde la antigüedad para moler cereales y bombear agua. Parque eólico.

La energía geotérmica

Géiser.

Esta energía proviene del interior de la Tierra, de fuentes termales llamadas géiseres. Las aguas subterráneas pueden salir a la superficie en forma de agua caliente o de vapor, y emplearse para calefaccionar sectores residenciales. Donde la temperatura de la roca subterránea es todavía mayor, puede utilizarse el vapor caliente para accionar turbinas y generar electricidad. Unidad 2 Ley de conservación de la energía

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Tipos de energía DESAFÍO ¿Puedo resumir las propiedades de la energía?

Hasta aquí se ha visto una variedad de ejemplos de energía. El nombre específico que recibe cada forma de energía dependerá de cómo se manifieste; por ejemplo, energía cinética, potencial, sonora, eléctrica, luminosa, térmica, eólica, solar, etcétera. Todas esas manifestaciones de la energía tienen la propiedad común de poder transferirse a otro cuerpo y/o de transformarse en otras formas de energía, pero jamás crearse espontáneamente. La siguiente ilustración muestra, a modo de resumen de lo visto hasta aquí, ejemplos diversos de transformaciones y de transferencias de energía.

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Energía solar, producida por el Sol.

Energía eólica, generada por el viento.

Energía potencial gravitatoria, producto de la posición de un cuerpo respecto a la superficie terrestre.

Energía eléctrica, producida por cargas eléctricas en movimiento.

Energía cinética, debida al movimiento.

Energía maremotriz, producida por las mareas.

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UNIDAD

Fuerza y trabajo Para profundizar algo más en el estudio de la energía, hay que conocer previamente los conceptos de fuerza y trabajo. Estas dos palabras se utilizan a menudo en el lenguaje diario, pero ¿cómo entenderlas?

Fuerza

DESAFÍO ¿Cómo se define el concepto de trabajo físico en ciencias?

Una fuerza representa una acción que ejerce un cuerpo sobre otro. Si alguien, como en la fotografía, empuja o arrastra un objeto por sobre una superficie, está aplicando una fuerza sobre el objeto en una dirección determinada. Una fuerza es una interacción entre dos cuerpos, ninguna fuerza existe en forma aislada. (Si bien, en el lenguaje diario es común escuchar que alguien tiene mucha fuerza, no hay que interpretar tal expresión en sentido literal).

Fuerza de roce En la acción que muestra la fotografía, ¿existirá alguna fuerza que se oponga al movimiento de la mesa? ¿Qué sucedería si la persona ejerce la fuerza sobre la mesa estando aquella en otra superficie más lisa? ¿Cómo sería el movimiento de la mesa en esta última situación? Cuando la mesa está sobre la alfombra, la persona debe aplicar una fuerza mayor que si la mesa estuviera sobre una superficie más lisa. El movimiento de la mesa se dificulta cuando está sobre la alfombra, debido a la acción de una fuerza de roce que se opone a su movimiento.

Trabajo El trabajo se asocia habitualmente al esfuerzo muscular o mental necesario para hacer una tarea determinada. Precisando el concepto, el trabajo físico se realiza, al menos en las situaciones más simples, cuando la acción de una fuerza provoca el movimiento de un cuerpo. El trabajo realizado por la fuerza depende de la intensidad de la fuerza aplicada y del desplazamiento que experimenta el cuerpo. Así, cuanto mayor es la fuerza aplicada y mayor es el desplazamiento que experimenta el cuerpo, mayor es el trabajo realizado por la fuerza aplicada; por ejemplo, el joven de las siguientes imágenes debe aplicar una fuerza mayor a la “yegua” cargada con varias cajas (imagen a) que cuando está solo cargada con una (imagen b). Suponiendo que la desplaza la misma distancia, ¿en cuál caso el trabajo físico es mayor? a

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Relación entre trabajo y energía DESAFÍO ¿Cómo se puede hacer variar la energía de un cuerpo?

Suponiendo que la persona de la fotografía de la página anterior desplaza la mesa de un lugar a otro, y también que la niña de la ilustración hace lo mismo con la caja, entonces, además de realizarse trabajo físico sobre la mesa y la caja, respectivamente, ambas se mueven y, por lo tanto, adquieren energía cinética. En otras palabras, el trabajo es una forma de transferir energía de un cuerpo a otro. El trabajo realizado por la fuerza aplicada en estos ejemplos, se transfiere como energía cinética. Hay que enfatizar que el trabajo físico no es un tipo de energía más, sino que corresponde a una transferencia de energía de un lugar a otro o de una forma de energía a otra.

Actividad individual a Fuerza aplicada Observe las fotografías y responda. 1 Comparativamente, ¿en cuál de las tres situaciones la fuerza aplicada es mayor? ¿Por qué?

2 Suponiendo que los objetos de las fotografías se desplazan una misma distancia, ¿en cuál situación la fuerza aplicada realizó un trabajo mayor? ¿Por qué? b 3 ¿En qué forma de energía se manifestó el trabajo realizado en las tres situaciones?

Conservación de la energía c

Para describir los cambios y procesos que ocurren tanto en la naturaleza como en los mecanismos creados por el hombre, resulta de gran utilidad entender las transformaciones que experimenta la energía y sus transferencias de un lugar a otro. Cuando se analizan los múltiples intercambios de energía que acontecen en la naturaleza y en los aparatos tecnológicos, se descubre la existencia de una propiedad importante de la energía que se cumple en todos los procesos, sin excepción. Tal propiedad se la conoce como ley de conservación de la energía. La ley de conservación expresa que la energía no se puede crear ni destruir. Sólo puede transformarse de una forma a otra o transferirse de un cuerpo a otro. La cantidad total de energía es siempre constante en el Universo.

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UNIDAD

Como una síntesis de lo aprendido en el módulo 6, se puede concluir que la energía de un sistema puede variar como consecuencia de una interacción con el medio, sea mediante trabajo o por una diferencia de temperatura, es decir, calor. Para aplicar la ley de conservación de la energía, hay que tener presente que la totalidad de la energía transferida al sistema que se estudia tiene que ser igual a la suma de todas las energías transferidas hacia el medio exterior. En otras palabras, la energía no se crea ni destruye. Esta propiedad es válida tanto para los organismos vivos como para las máquinas o aparatos que se utilizan en la vida diaria. El cuerpo humano funciona como una máquina formada por células. Estas células, para desarrollarse, requieren, como toda otra máquina, algún recurso energético, en este caso los carbohidratos de los alimentos, que reaccionan químicamente con el oxígeno. Esa reacción libera la energía química necesaria para caminar, correr, estudiar, alimentar las células del cuerpo y las múltiples funciones que permiten sostener la vida. En toda la cadena alimentaria, también ocurren múltiples intercambios de energía entre las diferentes especies de los ecosistemas. De los diversos aparatos de uso habitual en la vida cotidiana que se pueden analizar desde el punto de vista de la energía, veamos los siguientes: a) La ampolleta basa su funcionamiento en la energía eléctrica: • Una pequeña parte de la energía eléctrica suministrada a la ampolleta se transforma en energía luminosa, siendo esta la principal función de una ampolleta. • Como la transformación no es eficiente, una fracción de la energía inicial suministrada se transforman en radiación invisible, principalmente infrarroja. • Otra fracción de la energía eléctrica calienta la base, o soquete, y el vidrio de la ampolleta. b) Las transformaciones de energía en un ventilador eléctrico son las siguientes: • Se proporciona energía eléctrica al aparato, enchufándolo a la red eléctrica de la casa o departamento. • Esta energía activa un motor electromagnético que transforma la energía eléctrica en energía cinética de rotación de las aspas. • La energía de rotación de las aspas se transfiere al aire en forma de energía cinética.

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c) Las transformaciones de energía que ocurren en un secador de pelo son las siguientes: • Suministro de energía eléctrica al aparato. • Una fracción de la energía anterior se transfiere como energía cinética de rotación de las aspas del ventilador interno. • Otra fracción de energía eléctrica se transfiere a la resistencia eléctrica del aparato, calentándola. • La resistencia eléctrica caliente transfiere energía mediante calor hacia el aire que rodea a la resistencia. • El ventilador en rotación transfiere energía al aire en forma de energía cinética. • El aire, al atravesar la resistencia, se calienta y sale del aparato hacia el exterior. • También al funcionar el secador, genera ruido y vibración. d) En la bicicleta en movimiento se tiene: • La energía química de los alimentos que ingiere la ciclista se convierten en energía cinética de sus piernas. • Las piernas transfieren su energía cinética a los pedales. • Los pedales transfieren su energía cinética de rotación al engranaje principal. • Este último transfiere su energía cinética a la cadena de la bicicleta. • La cadena rota y transfiere su energía a la rueda trasera en forma de energía cinética de rotación. • Finalmente, la bicicleta adquiere energía cinética de traslación, generando el desplazamiento.

Para investigar Energía y movimiento Realicen en grupo la búsqueda de información para las siguientes investigaciones: 1 Seleccionen tres aparatos domésticos de uso común, elegidos de entre los siguientes: estufa, horno microondas, cocina a gas, campana extractora de cocina, lavadora, equipo de sonido. 2 Para cada uno de los aparatos seleccionados, hagan un análisis detallado de todas las transferencias y transformaciones de energía que realizan. Se les sugiere buscar en sección ‘información técnica’, de manuales disponibles en Internet. 3 Preparen un informe de la investigación, incluyendo esquemas explicativos tanto del funcionamiento de los aparatos como el análisis de transferencias y transformaciones de energía de los mismos. 4 Diserten su trabajo ante el curso. 5 Armen una exposición gráfica en la sala de clases con todos los trabajos.

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Síntesis cumple la

Energía

sólo puede

Transferirse

Ley de conservación

en forma de se manifiesta en diversas

que significa que

Trabajo No se crea

cuando la

provoca un por ejemplo

Desplazamiento

Energía cinética

Energía luminosa

de la

del

Energía eléctrica

Energía térmica

del

Ampolleta

Para profundizar

1 http://recursostic.educacion.es/newton/web/ materiales_didacticos/energia/conservacion. htm?3&1 (Apoyo a los contenidos: conservación de la energía).

4 http://recursostic.educacion.es/newton/web/ materiales_didacticos/energia/no_renovables. htm?4&2 (Apoyo a los contenidos: energías no renovables).

2 http://recursostic.educacion.es/newton/web/ materiales_didacticos/energia/renovables.htm?4&1 (Apoyo a los contenidos: energías renovables).

5 http://www.rena.edu.ve/cuartaEtapa/fisica/Tema10. html (Apoyo a los contenidos: energía y sus formas).

3 http://www.uned.es/biblioteca/energiarenovable3/ sistemas.htm (Apoyo a los contenidos: energías renovables).

6 http://www.rena.edu.ve/cuartaEtapa/fisica/ Tema11a.html (Apoyo a los contenidos: concepto de trabajo).

Unidad 2 Ley de conservación de la energía

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EVALUACIÓN 1 Responda el siguiente cuestionario en los espacios correspondientes. a) En una central hidroeléctrica, ¿cuáles son las formas de energía que se manifiestan desde la captación del agua hasta los centros de consumo?

b) ¿Cuál es la diferencia principal entre la energía cinética y la energía potencial gravitatoria de un objeto?

c) El trabajo que realiza una fuerza sobre un cuerpo determinado, ¿puede hacer variar la energía de ese cuerpo? Explique con un ejemplo.

d) Cuando una piedra, o cualquier otro objeto, cae desde cierta altura hasta el suelo, ¿cómo se aplica la ley de conservación de la energía a esta situación? e) ¿Qué transferencias y transformaciones de energía ocurren en una plancha eléctrica en funcionamiento? f) Cuando se empuja una caja por el piso, ¿qué energía adquiere la caja? ¿Cómo se relaciona con el trabajo realizado sobre ella? g) ¿Qué forma de energía posee la gasolina de un automóvil? ¿Cómo se manifiesta al hacer funcionar el vehículo?

h) ¿Puede una fuerza de roce sobre un objeto en movimiento llegar a detenerlo? ¿En qué se transforma la energía cinética del objeto en movimiento? Dé un ejemplo.

i) Cuando dos cuerpos a distinta temperatura se ponen en contacto, ¿hay transferencia de energía entre ellos? ¿En qué forma?

j) ¿Cuáles son las principales fuentes alternativas de energía? ¿Qué ventajas ofrecen?

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Módulo 6 Materia y energía

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2 Seleccione las alternativas correctas de entre las siguientes para completar cada una de las frases que se enuncian a continuación: a) Renovables y no contaminantes. b) Trabajo y calor. c) El Sol. d) Una fuerza provoca un desplazamiento. e) Energía cinética de rotación de la rueda. f) La energía no se crea ni se pierde. g) Potencial. h) Los alimentos. • La transferencia de energía entre dos cuerpos como trabajo, se origina cuando • La conservación de la energía significa que • Las energías alternativas se caracterizan por ser • Un cuerpo puede variar su energía mediante • En una central hidroeléctrica, la energía del agua se transforma en energía cinética. • En la rueda para elevar agua desde un canal, la energía cinética del agua del canal se transforma en • Un atleta utiliza la energía química de • La principal fuente de energía para la cadena alimenticia es 3 Complete la siguiente tabla. Proceso

Energías principales del proceso

Vuelo de helicóptero de juguete a control remoto. Funcionamiento de un teléfono celular. Calentamiento de agua en la cocina a gas. Crecimiento de una planta. Movimiento de una embarcación a vela. Funcionamiento de una batería de automóvil. Cocción en una cocina solar. Corriendo una maratón. Subiendo en automóvil hacia la cordillera. Salto con cuerda elástica desde un puente.

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