Quimica Contextual I Primera Unidad
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Primera parte del extraordinario Libro de Química en la Vida Cotidiana conteniendo atractivas lecturas y ejercicios amenos: Materia, Energia, Definicion Quimica, Aplicaciones.

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    Quimica Contextual I Primera Unidad Quimica Contextual I Primera Unidad Document Transcript

    • 1.1.1 Química como una ciencia central. ¿Dónde está la química? Describe tus actividades diarias desde que te levantas hasta que te duermes, enlista los productos químicos que utilizas y organízate en equipos de 4 estudiantes nombrando un representante, para que éste exponga las conclusiones. Formen equipos de 4 personas y lean detenidamente las siguientes lecturas “La química y la industria automotriz” y “La edad de piedra, de hierro y del polímero” realizando además un resumen (por equipo), el cual será expuesto al grupo por un integrante. Lectura No. 1: “La química y la industria automotriz” En la producción de automóviles se requiere de muchos materiales con características especiales, los avances en la química muestran muchos de los desarrollos y mejoras en estos materiales, por ejemplo: la pintura y el acabado protector contienen diversas sustancias químicas; los químicos trabajan para desarrollar nuevos colores y acabados que sean resistentes a las inclemencias del medio ambiente, como el polvo, la suciedad, la humedad, el sol y el frío. 1
    • En la industria de los neumáticos se emplean químicos, en la producción de materiales ahulados, con características especiales que dan mayor duración, mejor "agarre" en caminos con hielo y tolerancia al calor extremo que han de soportar durante las carreras. Los materiales que se utilizan en neumáticos, bandas y mangueras deben tener propiedades especiales para cumplir con sus funciones. En la preparación del acero, aluminio y otros materiales que usan en la industria automotriz, utilizan una amplia gama de procesos químicos. Los plásticos empleados en los automóviles, se usan comúnmente en defensas, parrillas, molduras y paneles laterales, haciendo al automóvil más ligero y como consecuencia, menor consumo de combustible, además de que los plásticos no se oxidan. Corte de un convertidor catalítico de contacto , que se ha empezado a utilizar en los tubos de escape de los automóviles. Así se cataliza la oxidación a CO2 del CO y de restos de hidrocarburos sin quemar , y la descomposición en N2 y O2 de los óxidos de nitrógeno , evitando lanzar gases muy tóxicos a la atmósfera. Los vidrios empleados en parabrisas y ventanas, implican también procesos químicos que les dan propiedades específicas según su uso. Muchos convertidores catalíticos automotrices contienen materiales cerámicos. El automóvil del futuro sin duda llevará una diversidad de productos químicos nuevos y mejores. Lectura No. 2: “La edad de piedra, de hierro y del polímero” Hubo una época en que las flechas y los sillones eran de piedra, las cuevas con ventilación natural, los filetes de tigre (dientes de sable) al carbón. Afortunadamente, esta época terminó cuando alguien descubrió como reducir el óxido de hierro a hierro metálico usando coque (carbón) como agente reductor. Todo esto sucedió hace varios años y el químico de las cavernas que obtuvo los derechos de patente de la edad de hierro, no fue educado en el Instituto Tecnológico de Massachusetts o en el Instituto Politécnico Nacional; pero estos descubrimientos químicos cambiaron profundamente el modo de vida de la gente, dando nuevos productos como las espadas, los arados y los colchones de muelles. ¿Cómo habría reaccionado el hombre de la edad de piedra la primera 2
    • vez que hubiera usado una armadura de hierro o subido a la Torre Latinoamericana o tomado el tren para ir a Chapultepec?, en esto también los químicos están presentes. Esta vez, estamos por entrar a la edad del polímero. Se podría pensar que ya estamos en ella, por las camisas de poliéster, los envases de polietileno, la valija de cloruro de polivinilo, las alfombras de polipropileno, los muebles de poliestireno, los neumáticos de poliisopreno y a los disquetes de acetato de polivinilo en las computadoras. En sólo 40 años, el volumen de polímeros ha crecido sorprendentemente y sobrepasa a la producción del acero; sin embargo, lo mejor de todo esto aún no ha llegado. Los materiales estructurales con los cuales se han construido las puertas, ventanas, puentes, automóviles, parecieran ser el último baluarte de la edad de hierro; ¿se atrevería alguien a sugerir que los polímeros podrían competir en ese terreno sagrado?. Nadie, excepto los químicos. Hoy se habla de un automóvil construido totalmente con plástico y ya se vuela en aviones comerciales que tienen elementos estructurales hechos con polímeros híbridos. Uno de éstos es el poli-para-fenilenotereftalamida, que tiene una fuerza de tensión ligeramente mayor que la del acero, pero donde este polímero realmente sobresale, es en aquellas aplicaciones donde la relación fortaleza/peso tiene gran importancia, como sucede en los aeroplanos. Aún con su nombre complicado, este polímero tiene una relación fortaleza/peso ¡seis veces más que la del acero!. Para poder apreciar esta ventaja, debes saber que la reducción de una libra (0.454 Kg.) en el peso estructural del avión reduce su peso para elevarse en 10 libras (4.54 Kg.). Por esta razón, este polímero cuyo nombre comercial es “keblar”, se usa para construir la sección de la parte trasera de los aviones más grandes, ¡ah! … y además, para los chalecos antibalas. ¿Qué se puede decir de los automóviles construidos totalmente con plásticos? por supuesto la reducción de peso es la base de este juego que trata de construir autos eficientes en cuanto al consumo de combustible. Ya hay ejes de transmisión de automóviles, hechos de polímeros fortalecidos con fibras rígidas y se usan materiales híbridos similares para ballestas. Actualmente los autos contienen 3
    • alrededor de 500 libras de plásticos, si se toma en cuenta el hule, la pintura, los selladores, los lubricantes y la tapicería. 1.1.2 Pros y contras de la química. Como ya se mencionó la química se encuentra en nuestro entorno cotidiano y así como nos proporciona beneficios, la falta de control y ética en su manejo, también puede causarnos serios problemas. Algunos de los objetivos de la química son: elaborar nuevas sustancias (síntesis química), conocer la estructura de la materia e investigar los componentes de los materiales y separarlos para su estudio (análisis químicos). El hombre ha fabricado infinidad de objetos semejantes a muchos materiales naturales e incluso mejores y más baratos. Como se observa, la química proporciona innumerables satisfactores entre los cuales pueden mencionarse los siguientes: 4
    • Medicinas, vidrios, ladrillos, cementos, cerámicas, circuitos microelectrónicos, agroquímicos, productos caseros, textiles, metalurgia, plásticos, alimentos, etc. Cuando se llevan a cabo procesos químicos a gran o en pequeña escala, se corren riesgos que se deben evaluar para minimizarlos al máximo; en algunas ocasiones los industriales sólo contemplan los beneficios de cierta producción, pero no valoran sus riesgos y les resulta muy cómodo desechar sus desperdicios industriales al medio ambiente contaminando suelo, aire y agua; la mayoría de la gente le resulta muy cómodo desplazarse en un automóvil pero no miden el peligro que se produce en una ciudad muy poblada como México donde circulan millones de autos. Los beneficios de la química a la humanidad elevan la calidad de vida, pero si se hace mal uso se puede llegar a la desaparición de las especies vivientes, por lo que el comportamiento humano en el uso de la química debe ser analítico y reflexivo, desde el punto de vista pros y contras para el planeta más que para unos cuantos individuos. Pros y contras de la química. Escribe (en equipo) por lo menos tres accidentes ocurridos en industrias químicas que hayan dañado a la humanidad y al medio ambiente, exponlos al grupo por medio de un integrante del equipo. Lee y comenta en equipo de 4 personas las lecturas: “Síndrome de Minamata”, “Lección de Chernobyl “ y “Entrevista con el mexicano Mario Molina (premio Nóbel de química)”, para exponer en clase por medio de un representante del equipo. 5
    • Lectura No. 3: “El síndrome de Minamata”. (Contaminación por mercurio) El mercurio es un elemento de gran utilidad, dado que es el único metal que se encuentra en estado líquido a temperatura ambiente y posee una gran conductividad eléctrica; por desgracia, los compuestos mercuriales son venenosos para todos los sistemas vivientes. Se usa en una gran variedad de procesos industriales y en diferentes productos tales como: pinturas, fungicidas, termómetros, aparatos eléctricos (lámparas de vapor de mercurio, tubos e interruptores electrónicos y baterías de mercurio). Entra al medio en forma elemental como pérdida de los procesos industriales y de equipos convertidos en chatarra, así como en la forma de compuestos de mercurio debido a las actividades industriales y agrícolas. Se incorpora en los alimentos que come el hombre a través de los productos agrícolas y del agua. Es tóxico en la forma metálica y en estado combinado; las dos formas generales de mercurio combinado son el inorgánico y el orgánico; dentro del medio ambiente, las diversas formas de mercurio se interconvierten. En efecto, parece ser que el mercurio metálico se convierte en mercurio metilado por medio de procesos biológicos que se producen en el agua donde se encuentran desechos de él; el mercurio metilado (Hg(CH3)2) y el ion metilo de mercurio (HgCH3+) los absorben los tejidos de los organismos vivos. Una vez que se produce esta absorción, estas formas de mercurio pueden permanecer en organismos durante largos periodos, conforme un animal se come a otro, el mercurio se puede incorporar a la cadena alimenticia y producir la concentración biológica de mercurio dentro de ésta. El mercurio penetra en el hombre por la ingestión de plantas (lo incorporan del suelo), animales y agua. El contenido excesivo de mercurio en el organismo humano, puede producir el envenenamiento, causando daños permanentes en el cerebro. En Japón, muchas 6
    • enfermedades, muertes y defectos genéticos se han atribuido directamente a los alimentos marinos con altos contenidos de mercurio. Alrededor de 100 personas que vivían en la bahía de Minamata en Japón, fueron afectadas por una enfermedad misteriosa, muchas de ellas murieron. Se descubrió que la principal dieta de las víctimas lo constituían peces de la bahía contaminada con mercurio, el mercurio había sido vertido en la bahía a través de los desechos de una fábrica de plásticos. Posteriormente el gobierno Japonés impuso reglamentos estrictos para la eliminación del mercurio; es importante resaltar que los químicos de la empresa conocían a priori los posibles efectos de la intoxicación con mercurio, pero por falta de ética lo mantuvieron en secreto. Los síntomas de un envenenamiento agudo con mercurio son: pérdida del apetito, insensibilidad en las extremidades, sabor metálico, diarrea, problemas de visión, problemas en el habla y el oído, inestabilidad mental, abortos y malformaciones congénitas. Puesto que el mercurio se utiliza en grandes cantidades y se puede convertir en formas muy tóxicas, que se concentran biológicamente en el medio ambiente, es necesario que se ejerza un mayor control en los desechos industriales. Actualmente se cuenta con el Instituto Nacional de desastres para prevenir problemas en el futuro. Imagen obtenida de: http://www.nimd.go.jp/english/nimd_enkaku.html Lectura No 4: “Lección de Chernobyl” En las primeras horas del 26 de abril de 1986, los operadores de una planta de energía nuclear en Chernobyl, en la Unión Soviética, comenzaron una serie de pruebas acerca de la capacidad operativa de su reactor más nuevo; de acuerdo con las comunicaciones oficiales soviéticas, los operadores hicieron caso omiso a las normas de seguridad y sin autorización, desviaron los procedimientos estándar para realizar sus pruebas. 7
    • En algún momento perdieron el control de las reacciones que ocurrían en el núcleo del reactor y su producción rápidamente subió 120 veces su capacidad promedio. El agua de enfriamiento del sistema, instantáneamente se transformó en vapor y se produjo una explosión que hizo estallar la cubierta del reactor de 1000 toneladas y esparció combustible nuclear caliente hacia la atmósfera. El reactor inmediatamente fue devorado por incendios que requirieron más de 10 días para ser controlado. Durante este periodo, una enorme cantidad de material radiactivo fue liberada al ambiente, más de mil veces la cantidad liberada en el accidente de Three Mile Island en los Estados Unidos en 1979. Reactor No. 4 Radio de influencia del reactor Creditos de fotos: http://www.pbs.org/wgbh/nova/spiesfly/credits.html#photo http://www.brama.com/ukraine/pics/chrnbyl3.jpg Aunque las consecuencias de este accidente fueron más graves en las áreas más próximas a Chernobyl, llegaron mucho más allá de la Unión Soviética, afectando finalmente a unas 100 millones de personas en más de 20 países europeos, la nube radiactiva del accidente se desplazó en dirección noroeste por el viento y, cuando posteriormente llegaron las lluvias, el material radiactivo volvió a caer al suelo; una porción sustancial de radiactividad fue depositada en Noruega, un componente principal de la lluvia radiactiva de Chernobyl fue el cesio 137, con una vida media de 30 años, a medida que este elemento pasaba del agua de lluvia a los líquenes y luego a los renos, su concentración se incrementó a niveles que excedían en mucho los que se consideraban seguros para el consumo humano. Las concentraciones más elevadas se produjeron en la leche, los músculos y los huesos de los renos, el medio de subsistencia tradicional para los pueblos lapones de Noruega central y meridional. Dada la vida media del cesio 137 y su concentración en los líquenes, parece que transcurrirá una generación entera antes que los lapones puedan otra vez basar su alimentación en la carne y la leche de sus rebaños; para entonces su cultura única puede haber desaparecido para siempre, como consecuencia de los cálculos erróneos y de una falta de precaución en una planta de energía nuclear situada a más de 2000 kilómetros de distancia. 8
    • El accidente de Chernobyl y sus consecuencias, nos brindan varias lecciones importantes. La primera y más obvia, es que la concentración biológica de los elementos es un fenómeno muy real, con consecuencias potencialmente graves, especialmente para los organismos que se encuentran en la cima de la cadena alimenticia, entre los cuales la especie humana está incluida; la segunda lección es que no debemos ser complacientes acerca de las medidas de seguridad relativas al uso de materiales o tecnologías, para no esperar que se produzcan tragedias peores que las de Chernobyl, la tercera y tal vez la más importante, es que las consecuencias de nuestras desventajas no respetan límites internacionales o regulaciones ambientales locales, sin importar cuán bien concebidas están o cuán fielmente se sigan. Nosotros y todos los otros seres vivos, estamos interconectados en un ecosistema global. Lectura No. 5: “Entrevista con el Nóbel mexicano de química”. Mario Molina Enríquez (1943 -) “Hay que tratar de mejorar el sistema educativo que con frecuencia pone demasiado énfasis en dar calificaciones en las tareas; pero creo que se necesita insistir mucho más en lo bonito que es la ciencia, en lo fascinante que pueden ser los estudios de investigación, en lo atractivo que puede resultar aprender cosas nuevas, de alguna manera, todo ello se pierde desde la niñez, lo cual explica la poca aceptación que tiene la vida de un científico en términos de la sociedad”, así respondió a la primera pregunta que le hizo el reportero. Mario Molina Enríquez obtuvo el título de ingeniero químico el 2 de agosto de 1965 en la UNAM con la tesis “Columnas combinadas en cromatografía en fase vapor”; posteriormente obtuvo el doctorado en fisicoquímica en la Universidad de Berkeley California, en 1972. Recibe el premio Nóbel de 1995 en Estocolmo, el cual compartió con el estadounidense Frank Sherwood Rowland y el holandés Paul Crutzen por sus trabajos en la comprensión de “La química de la capa estratosférica de ozono y de su destrucción a causa de productos fabricados por el hombre”. Como son los clorofluorocarbonos (CFC) que se usan en aerosoles o en sistemas refrigerantes y que de acuerdo con el protocolo de Montreal firmado en 1987, dejaron de fabricarse en las naciones industrializadas a fines de 1996 y en los países del tercer mundo hacia la conclusión del siglo XX.  En México, tan pronto se supo que habían otorgado a usted el premio Nóbel surgió un intenso debate respecto de que si debió o no haberse quedado en nuestro país, de si era o no un cerebro fugado ¿eso llegó a molestarle? 9
    • “Más que una incomodidad, me hizo reflexionar en que, por un lado la ciencia es internacional, necesita haber colaboración entre los científicos de todo el mundo y a partir de ese punto de vista puedo continuar desde el exterior, mi colaboración con científicos mexicanos; pero al mismo tiempo es importante darse cuenta de que también es indispensable que haya científicos en México, que ataquen cuestiones locales y que tengan la visión científica general, los fundamentos de la ciencia son los mismos en todo el mundo”.  Es muy interesante seguir su carrera profesional: parecía que usted se iba a dedicar a otra rama de la química, primero en Alemania, donde trabajó en polímeros y luego en Estados Unidos de América, donde se orientó a la química de la atmósfera. “Cuando estuve en Europa trabajando con polímeros, la fisicoquímica era lo que me interesaba incluso desde que cursé la carrera de ingeniería química, esa área era la que me atraía más. Lo que estudié de polímeros fue la cinética, entonces en cierta forma muchos de los trabajos que realicé de química de la atmósfera son también de cinética, en este caso en fase gaseosa, pero con múltiples analogías con la cinética de polímeros. Por ejemplo hay cinética de polimerizaciones con radicales libres, donde tiene unos núcleos de cadena, o sea, que hay toda una serie de conceptos que demuestra de nueva cuenta la universalidad de la ciencia. En Berkeley, California, estudié fisicoquímica y estuve trabajando en enlaces químicos, también desde el punto de vista de entender reacciones químicas y velocidades de reacción y en aquel entonces de ver cuales eran los efectos de la energía interna en las moléculas. El aspecto común a todos estos campos de la química que he estado estudiando, es tratar de entender las reacciones químicas a nivel molecular para poder predecir, por ejemplo con certidumbre y en situaciones complicadas, como van a llevarse a cabo las distintas reacciones químicas en la atmósfera terrestre”.  ¿Cómo surge su interés particular por la reacción entre los clorofluorocarbonos CFC y el ozono estratosférico?. “Éste surge de la pregunta que nos hicimos desde el inicio, acerca de ¿cuál era el proceso responsable de destruir a los CFC o los clorofluorocarburos (compuestos industriales)?. No habíamos pensado estudiar la estratosfera en sí, sino simplemente la química de dichos compuestos en el entorno y más importante todavía hacernos el planteamiento de si podía haber alguna consecuencia derivada de su uso. Por un lado los anteriores son compuestos que no existen de manera natural y nos preocupaba el hecho de que la composición atmosférica estuviera cambiando, éste podría haber sido un estudio muy académico, en el que tal vez hubiéramos podido llegar a la conclusión de que dichos compuestos iban a destruirse por tal o cual mecanismo sin mayor consecuencia. Pero me acuerdo con claridad haber pensado entonces que resultaba, de suma importancia establecer si habría o no consecuencias derivadas de todas estas emisiones antes de que aumentaran de manera acelerada”. 10
    •  Algo notable en esta investigación que usted emprendió es que en su momento no hubo una “buena receptividad” por parte de la comunidad científica. “Lo que sucedió fue que la comunidad científica especializada en cuestiones de atmósferas, sobre todo de química de la atmósfera, lo recibió muy bien porque, ¡claro! … el problema tenía toda la lógica necesaria para que ellos lo aceptaran. Por la recepción que le dio el resto de la comunidad, no fue la esperada porque quizá dábamos la impresión de querer publicidad y eso es algo que no se acepta en el mundo científico, pero con toda la claridad lo que buscábamos no era publicar nuestro trabajo sino simplemente que el gobierno prestara atención a este problema. En lo relativo al medio ambiente, se había registrado una serie de cuestiones que en realidad no estaba muy bien fundamentada, en algunos casos, se habían exagerado los problemas y en otros no, pero claro no había manera de aclararlos hasta no continuar con la investigación”.  ¿Qué piensa hacer ahora que regrese al MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts)? ¿Cuáles son sus proyectos de trabajo? “Sigo con lo mismo, tengo proyectos de investigación que están a medias y otros a los cuales vamos a dar inicio, continuo trabajando con química de la atmósfera en general, química de la estratosfera, pero también con química de la baja atmósfera y con contaminación a nivel global, sobre todo del hemisferio norte, al igual que con química de partículas, que es uno de los aspectos más difíciles de estudiar”.  ¿Cuál es la situación presente del agujero de la capa de ozono? “El agujero de la capa de ozono continuará por varias décadas, pero con el protocolo de Montreal esperamos que para mediados del próximo siglo la atmósfera se recupere, de tal manera que desaparezca ese agujero”. Su dirección postal: MIT 54 - 1312 Cambridge MA 02139, USA. Y su dirección electrónica: mmolina@mit.edu 11
    • 1.1.3 Definición de química. Lee y elabora un cuadro sinóptico y que presentarás al maestro, de lo siguiente: La química es la ciencia que estudia las sustancias, su estructura, composición, propiedades y transformaciones; en otras palabras, la química estudia la materia, la energía y el cambio. Pero... ¿Qué es materia?. La ropa que vistes, la silla donde te sientas, el techo de tu casa, la tierra donde crecen los cultivos; todo es materia; se puede decir que materia es todo lo que ocupa un lugar en el espacio. Y el sol, el fuego, la electricidad y los diversos tipos de energía están relacionados con la química. La fotosíntesis, la corrosión, la contaminación y todo aquello que implica un cambio de la materia también forma parte del dominio de la química. Iniciemos pues, el camino de la química, una ciencia que nos ha llevado a conocer, interpretar y transformar nuestro ambiente. En un circuito de agua sin Este modelo demuestra como una tratamiento, las sales incrustadas planta usa agua y nutrientes del conllevan al deterioro progresivo suelo y oxígeno del aire para e irreversible de las paredes metálicas sobre las cuales se producir carbohidratos (S), grasas incrustan. Acción comúnmente (F) y proteínas (P). A medida que conocida como corrosión, se trata National Geographic la planta acumule más productos de una reacción electroquímica Julio, 1999 de la fotosíntesis, mayores serán los rendimientos de alimentos o fibras. 1. http://www.agropecstar.com/portal/doctos/Conceptos%20de%20produccion.htm 2. http://ionis.com.ar/agua/index.htm 12
    • 3. http://www.puc.cl/sw_educ/contam/frefecto.htm Lee en equipo de 4 estudiantes y contesta la siguiente pregunta: ¿Qué es ciencia? R: 1.1.4 La química es una ciencia, pero... ¿qué es una ciencia? Describir en pocas palabras, una de las actividades más importantes del hombre no es fácil, lo cierto es que, la actividad científica ha cambiado radicalmente la forma de vida de la humanidad, a pesar de que algunas de las aplicaciones del conocimiento, no pueden calificarse de positivas, pues el uso de la ciencia tiene también una connotación política, social y ética. La ciencia es un fenómeno social: hemos pasado de vivir en cavernas, a construir cómodas residencias; de usar nuestras piernas como medio de transporte, a viajar a la luna; de morir por una simple infección, a controlar y erradicar muchas enfermedades, de calentarnos con el fuego, a aprovechar la energía nuclear; de cazar con piedras y garrotes, a usar las armas modernas. No es sencillo definir ciencia pero para dar una definición de ciencia, tomaremos una cita de Albert Einstein: “La ciencia es el intento de relacionar la caótica diversidad de nuestra experiencia sensorial con un sistema lógico y uniforme de pensamiento”. El concepto de Einstein se interpreta mediante el siguiente diagrama: frío, brillante, alto, pesado, liviano, Lo que percibimos (diversas líquido, grande, duro, ácido, rojo, experiencias sensoriales) sedoso, caliente, veloz, vivo, amargo. CIENCIA Método científico, La manera en que lo interpretamos hipótesis, leyes, modelos, (sistema lógico y uniforme teorías, predicciones. de pensamiento) 13
    • Ciencia. Del latín scientia, (conocimiento), es una combinación dinámica de hechos, teorías, procedimientos y actividades para descubrir nuevos cambios y establecer datos que conduzcan a la confirmación de los conocimientos. La ciencia es toda descripción coherente y sistemática de un conjunto de cambios que sufre la materia y la energía. El trabajo de muchos investigadores hace posible conocer lo que hasta ayer era desconocido. Lee en equipo de 4 estudiantes y contesta las siguientes preguntas: 1. ¿Qué es conocimiento empírico? R: 2. ¿Qué es método científico? R: 3. ¿Cuáles son los pasos del método científico? R: 1.1.4.1 Conocimiento empírico. Los adelantos del hombre moderno se deben al trabajo y desarrollo de sus antecesores, los conocimientos actuales, se han logrado a través de mucho tiempo, siguiendo procedimientos empíricos, fundados en las necesidades básicas del hombre, que sintió la necesidad y curiosidad de conocer las propiedades de las cosas para utilizarlas en su beneficio y defensa, estos experimentos los realizó con base a su experiencia, por tanto, este conocimiento se llama conocimiento empírico y se adquiere mediante la observación, la imitación práctica y la experimentación personal, sin teorías ni conocimientos previos. De manera empírica se sabe que un papel, un leño o un carbón arden al entrar en combustión, por medio del sentido del gusto se detectan los sabores del agua (insabora), del limón (agrio), etc. y se clasifica el agua para riego, industrial y potable. El conocimiento empírico no predice por qué suceden las cosas, para esto es necesario aplicar el método científico y la tecnología, sin embargo, podemos percibir algunas propiedades de la materia y la energía por medio de nuestros sentidos, sin hacer deducciones, nos acostumbramos a ellas mediante la práctica y la experiencia. La física, la química y la bioquímica, progresaron mediante los 14
    • conocimientos empíricos y después de numerosas investigaciones se llegó al conocimiento científico. Investiga las actividades donde aún se utilice el empirismo, indica cuales son regionales y comenta si alguna de estas actividades representan algún riesgo para las personas o para la comunidad. Ejemplo empírico: Al cocinar los frijoles de cosechas pasadas, generalmente se les pone una sal (tequezquite o bicarbonato), para acelerar su cocción. http://www.cnf-foods.com/recipes/index_s.html Principio científico: Al agregar la sal (tequezquite o bicarbonato de sodio) a los frijoles o alimentos que se estén cocinando, esta sal aumenta el punto de ebullición y como consecuencia de este fenómeno los frijoles, o los alimentos que se estén cocinando se les reduce el tiempo de cocción. En equipos de 4 personas discute y redacta una síntesis que será expuesta en clase, de las siguientes lecturas. Lectura No. 6: “Sin depósito, sin retorno, sin problema”. Cada año en México se arrojan al medio ambiente millones de toneladas de plásticos, un alto porcentaje se tiran directamente a los océanos; los barcos mercantes por sí solos arrojan su basura directamente al mar año con año. http://www.geocities.com/jpousa/Basural3.htm Los plásticos se degradan aproximadamente en 50 años, tiempo en que se acumularía una gran cantidad de basura, los ecosistemas marinos son sensibles al problema, por ejemplo, los plásticos que flotan son confundidos con celenterados o huevos u otros deleites para algunas especies 15
    • marinas, muchas de ellas llegan a ser atrapadas en estos plásticos, o en los equipos de pesca que se desechan en los océanos cada año, otro rasgo poco feliz de este problema se observa en las regiones árticas, donde la basura se acumula, ya que su biodegradación se detiene como consecuencia de las bajas temperaturas. Los químicos han logrado un progreso importante en su afán de aliviar este problema. El remedio se encuentra en la fabricación de plásticos biodegradables, los plásticos son polímeros hechos de compuestos derivados del petróleo, consisten de largas cadenas de monómeros moleculares que se repiten muchas veces, se han encontrado varias maneras de producir cambios en las moléculas de los plásticos, de tal manera que éstos sean biodegradables. Una forma es, unir químicamente, a intervalos regulares, grupos moleculares sensibles a la luz, en la cadena. Cuando los plásticos fabricados con este polímero son expuestos a la luz del sol, estos grupos absorben la radiación y hacen que los polímeros se rompan en estos puntos, más tarde, la naturaleza se encarga de ellos, los pequeños segmentos que resultan son fácilmente biodegradables. ¡Albricias!, ¡plásticos fotodegradables!; la inserción de grupos cetónicos dentro de los polímeros comunes (tales como el poliestireno y el polietileno), ha sido muy importante en la producción de materiales fotodegradables; estos polímeros con grupos cetónicos son estables en luz artificial y sólo llevan a cabo las reacciones fotoquímicas cuando se irradian con longitudes de onda más cortas como las de la luz solar. Otra manera de producir largas moléculas de plástico que satisfagan las necesidades de proteger la naturaleza, ha sido por medio de la introducción de grupos moleculares que ciertos microorganismos en el ambiente reconocen como alimento. Estos insaciables seres hacen su trabajo rompiendo las moléculas largas en pedazos pequeños. Se espera que, con innovaciones como ésta, nuestro problema de los desechos plásticos algún día se termine. Lectura No. 7: “La química y el buceo en aguas profundas” En 1916, Joel Hildebrand, químico y destacado profesor de la Universidad de Berkeley, California, publicó un trabajo teórico de investigación sobre solubilidad. En este trabajo teórico, Hildebrand describió una investigación básica sobre la solubilidad de los gases en líquidos, predijo que en cualquier líquido, el helio sería menos soluble que cualquier otro gas, a continuación propuso el empleo de una mezcla de helio y oxígeno (en vez de aire, una mezcla de nitrógeno y oxígeno principalmente) para el buceo en aguas profundas. 16
    • Cuando un buzo utiliza aire, el nitrógeno se disuelve en la sangre, conforme sube a la superficie, se desprenden burbujas de nitrógeno de la sangre, lo que provoca una dolorosa trombosis llamada enfermedad de Caisson. Que se presenta por la descompresión y puede evitarse utilizando una mezcla de oxígeno y helio, pues éste es menos soluble que el nitrógeno en la sangre. Los buzos profesionales de aguas profundas utilizan en la actualidad mezclas de oxígeno y helio, gracias a que Hilderbrand sintió curiosidad por la solubilidad de los gases en los líquidos (un tema de investigación básica), los buzos ya no tienen que preocuparse tanto como antes por la enfermedad de Caisson (una aplicación práctica) Asigna nombres de personajes a “La primera clase de química en América” y escenifica la obra en clase con la participación de los estudiantes. Lectura No. 8: “La primera clase de química en América” Se llevó a cabo en el Palacio de Minería, situado en la calle Tacuba en el centro de la Ciudad de México en 1797. http://edgarep.tripod.com.mx/ Personajes: Don Fausto de Elhuyar, Don Juan, Don Pedro y un escenario de 10 estudiantes más. Guión: Don Juan: Don Pedro, ¿qué sabe vuestra merced de nuestro nuevo profesor, Don Fausto de Elhuyar? Don Pedro: i Ay, Don Juan!, sé que viene precedido de enorme fama. Don Fausto ha estudiado y viajado por toda Europa. Él y su hermano descubrieron en el país Vasco un nuevo elemento el Wolframio, por lo que su nombre pasará a la historia. Ha sido el 17
    • mismísimo rey Fernando II quién lo ha designado para venir aquí, su más importante dominio. Don Juan: Y de su carácter ¿qué sabéis? ¿Nos exigirá grandes sacrificios aprender su cátedra de química? Don Pedro: No lo sé, amigo mío. Lo único que os puedo decir es que nuestro libro de texto será “El Tratado Elemental de Química”, del ilustre sabio Antonio Lavoisier, quien entre otras cosas ¿sabes que murió guillotinado durante la Revolución Francesa? Don Juan: No, no sabía esto último. Pero todos me han dicho que sus investigaciones han revolucionado nuestro entendimiento de la naturaleza, particularmente del fuego. Pero... el libro está en francés ¿vos conocéis esta lengua? Don Pedro: No os preocupéis por el francés, querido amigo, que en nuestra España, antes que la metrópoli, Don Mariano Zúñiga y Ontiveros ha traducido al mejor español la sublime obra de Lavoisier. Don Juan: Ya veo, pues bastante disgusto han de tener en España por que en la Nueva España lo estamos haciendo también en las ciencias... pst, silencio, el profesor llega. Todos guardan silencio (Don Fausto entra en escena). Don Fausto: Señores, el día de hoy aquellos que buscan el título de perito beneficiador de las reales de minas iniciarán su clase de química, la primera que se da en La Nueva España... y en América. Con muchas dudas acerca de la exactitud de los diálogos, algo parecido debió ocurrir hace doscientos años. ¿Qué parecido tiene con este momento?, comenta con tus compañeros. Lee y escribe una definición del método científico y describe sus pasos específicos. 1.1.4.2. Método científico El conocimiento científico no está aislado, sino que es el resultado de la interacción continua de todas las ramas de la ciencia y el progreso de la tecnología, mediante técnicas que se han ido observando en todo el mundo. El método científico se basa en la experimentación, la elaboración de hipótesis y las 18
    • teorías que explican los fenómenos, de tal modo que posteriormente éstos puedan comprobarse y reproducirse. El método científico puede entenderse como el orden, la regla, la norma o el procedimiento, para integrar hechos y verdades. Los adelantos del método científico en el siglo XX, surgen con la mecánica cuántica, que ha revolucionado notablemente todo lo conocido sobre el átomo. Las investigaciones sobre la naturaleza de las descargas eléctricas y la radiactividad, condujeron a un modelo de átomo muy diferente al de partícula indivisible establecido por Dalton. El descubrimiento de la radiactividad natural, fue el inicio de una nueva era por la transmutación espontánea de un átomo en otro y por la emisión de partículas. El método científico, se organiza siguiendo un método específico, aunque algunas veces surge un descubrimiento imprevisto que modifica el curso de la investigación. El proceso de investigación se lleva a cabo en cinco pasos fundamentales que son: a) Observación b) Planteamiento de hipótesis Proceso de investigación c) Experimentación d) Formulación de teorías e) Formulación de ley a) Observación. Es el paso inicial de toda investigación y consiste en fijar cuidadosamente la atención en un hecho cualquiera; siendo la observación y la experimentación las bases de la química, por lo que esta materia requiere de aprender a observar científicamente. La diferencia entre la observación ordinaria y la científica está en la sistematización, todo el mundo hace observaciones diariamente, pero las observaciones científicas se hacen bajo un método determinado. Por ejemplo, la observación de un cielo estrellado inspira un verso en el poeta, pero el científico se hace preguntas como: la causa de esas luces, de sus movimientos, etc. entonces, la observación científica no sólo es cuidadosa, sino también pretende explicar los hechos y para ello formula hipótesis. 19
    • b) Planteamiento de hipótesis. La hipótesis es una suposición tentativa acerca de algo que puede ser falso o verdadero, trata de explicar los hechos y las causas de los cambios observados, la hipótesis es una explicación preliminar que se comprueba o rechaza en la siguiente etapa del método científico. c) Experimentación. De la observación y de las hipótesis surgen los experimentos, mediante los cuales se reproduce o se provoca un fenómeno observado en la naturaleza; por lo que experimentar, significa reproducir o provocar un hecho cualquiera para comprobar la validez de la hipótesis con la que tratamos de explicarlo. Si el experimento puede repetirse siempre en las mismas condiciones que lo originaron y con los mismos resultados, la hipótesis que lo sustenta es verdadera. d) Formulación de las teorías. Una vez comprobados los cambios que se efectuaron en determinado orden, se formula una teoría que a diferencia de la hipótesis, ésta se basa en numerosos experimentos, en otras palabras, explica mayor número de fenómenos similares. Algunas veces las teorías expuestas son tentativas, por lo que los científicos siempre están experimentando y rectificándolas. e) Formulación de la ley. Las teorías pasan a ser leyes después de demostrarse en repetidas ocasiones los cambios cuya explicación ofrecen, siempre se verifican de la misma manera y en las mismas condiciones. Cuando los investigadores avanzan en la ciencia descubriendo nuevos hechos, las leyes establecidas se modifican, por ejemplo Niels Bohr, contribuyó a la estructura atómica, (premio Nóbel de física en 1922), estableció que el átomo tiene energía y que la tiene cuantizada; esto sólo fue aplicable al hidrógeno, por desconocerse la energía total que tienen los átomos, entonces fue necesario modificar esas teorías y leyes para actualizarlas, de tal manera que ahora se conoce mucho más acerca de la estructura, integración y desintegración del átomo, las radiaciones que emite, el comportamiento de las partículas alfa, beta y gamma, etc. Realiza la siguiente lectura e identifica los pasos del método científico. 20
    • Lectura No. 9: “Un problema intrigante” Cerámica de Tlayacapan Morelos. Para ejemplificar de qué manera la ciencia nos ayuda a resolver problemas, se narra una historia acerca de dos personas que vivían en la Ciudad de México, Juan y Lola. Hace 10 años, eran personas saludables de 40 años que vivían en el D. F.; Juan trabajaba en la DGETI, Lola se enfermó paulatinamente y presentó síntomas similares a la gripe, que incluía náusea y dolores musculares graves, esto cambió su personalidad, se hizo muy gruñona, cosa rara en ella, se transformó en una persona totalmente distinta de la mujer saludable y feliz de pocos meses atrás preocupada acudió al médico quién le indicó reposó y tomar gran cantidad de líquidos, incluyendo café y jugo de naranja en abundancia, en su tarro favorito, que formaba parte de una vajilla de 200 piezas de cerámica que habían adquirido recientemente en Tlayacapan Morelos; sin embargo, se sintió cada vez más enferma y presentó fuertes calambres abdominales y anemia grave. Durante este tiempo Juan también se enfermó y presentó síntomas similares a los de Lola; pérdida de peso, dolor extremadamente fuerte en espalda y brazos con estallidos de ira poco característicos. La afección se hizo tan grave que pidió su jubilación de la DGETI y la pareja se mudó a su pequeña mansión de "la eterna primavera" (Morelos) en donde durante cierto tiempo su salud mejoró, pero cuando terminaron de desempacar sus pertenencias (incluyendo los platos de cerámica) su salud comenzó de nuevo a empeorar; el cuerpo de Lola se hizo tan sensible que no toleraba ni siquiera el peso de una franela, estaba a punto de morir. ¿Qué le ocurría? los doctores lo ignoraban, pero uno de ellos sugirió la posibilidad de porfiria, una afección sanguínea poco frecuente, Juan comenzó a desesperarse e inició una investigación bibliográfica médica respecto a su problema. Cierto día cuando estaba leyendo sobre la porfiria, se detuvo en una frase: "La intoxicación con plomo en ocasiones puede confundirse con la porfiria". ¿Sería posible que tuviesen envenenamiento con plomo? Se ha descrito un problema muy grave que puede poner en peligro la vida. ¿Qué hizo Juan a continuación?, pasando por alto la respuesta inmediata de llamar al médico para discutir la posibilidad de intoxicación por plomo, ¿podría resolver Juan el problema por el método científico?. Se procederá a aplicar los pasos descritos anteriormente, para resolver el problema, primero hay que separar los 21
    • problemas complejos en partes manejables, después, se puede obtener la solución general del problema empleando las respuestas de las diversas partes. En este caso hay muchas partes del problema general. ¿De qué enfermedad se trata? ¿Qué ocasiona la enfermedad? ¿Cómo se cura dicha enfermedad? Primero se intentará saber de qué enfermedad se trata. Observación: Juan y Lola se encuentran enfermos con los síntomas descritos. ¿Será posible que tengan intoxicación con plomo?. Experimento: Si los trastornos son por la intoxicación con plomo, los síntomas deben ser similares a los que caracterizan a dicha enfermedad. Hay que localizar los síntomas de la misma. Juan hizo lo anterior y observó que eran similares y casi exactamente iguales a los síntomas que presentaban. Este descubrimiento indica la probabilidad de que el problema sea intoxicación por plomo, pero Juan necesitaba más evidencia. Observación: La intoxicación por plomo se debe a altos niveles del mismo en el torrente sanguíneo. Hipótesis: La pareja tiene altos niveles de plomo en la sangre. Experimento: Efectuar un análisis de sangre. Lola hizo una cita para un análisis de este tipo y en los resultados se observaron altos niveles de plomo tanto para Juan como para Lola. Esto confirma que la intoxicación por plomo probablemente sea la causa del problema, aunque aún no se haya resuelto, se tiene la probabilidad de que Juan y Lola mueran a menos que puedan saber de dónde procede el plomo. Observación: Hay plomo en la sangre de la pareja. Hipótesis: El plomo se encuentra en los alimentos o bebidas que consumen. Experimento: Determinar si las demás personas que compran alimentos en la misma tienda, se encuentran enfermas (ninguna presentó los síntomas) y observar además, que el cambio a una nueva región no resolvió el problema. Observación: Los alimentos que compran se encuentran libres de plomo. Hipótesis: Los platos que usan son la fuente de contaminación con plomo. Experimento: Determinar si los platos contienen plomo. Juan y Lola encontraron que, con frecuencia se usan compuestos de plomo para dar un acabado brillante a los objetos de cerámica; un análisis de laboratorio de los platos de Tlayacapan Morelos, demostró que el esmalte contiene plomo. Observación: Hay plomo en los platos, por tanto, éstos son una fuente probable de contaminación. Hipótesis: El plomo se disuelve en los alimentos. 22
    • Experimento: Se colocó una bebida (jugo de naranja) en una de las tazas y después se analizó para determinar su contenido de plomo, los resultados demostraron altos niveles de plomo en las bebidas que entraban en contacto con las tazas de cerámica. Después de aplicar el método científico varias veces, se resolvió el problema. Conclusión: Se puede resumir la respuesta como sigue: (la enfermedad de Juan y Lola); la cerámica de Tlayacapan que emplearon para comer a diario contenía plomo que contaminó sus alimentos, el plomo se acumuló hasta rebasar el límite tolerable por los cuerpos humanos y produjo trastornos. Esta explicación general, que resume las hipótesis que concuerdan con los resultados experimentales, se llama teoría en el campo científico; en ella se explican los resultados de todos los experimentos que se llevaron a cabo. Naturalmente, al responder a las preguntas aplicando el método científico surgen otras interrogantes. Se pueden repetir una y otra vez los tres pasos, hasta llegar a entender perfectamente determinado fenómeno. Juan y Lola se recuperaron de la intoxicación con plomo y en la actualidad, se dedican a difundir el peligro de emplear cerámica barnizada con plomo. Este final feliz responde a la tercera parte de su problema "¿Se puede curar la enfermedad?" ¡Simplemente dejaron de emplear esa vajilla para comer!. Investiga las respuestas a las siguientes preguntas 1. ¿Qué alimentos absorben con mayor facilidad el plomo al entrar en contacto con los platos? R: 2. ¿Producen todos los platos de cerámica barnizados con plomo intoxicación con este metal? R: 3. ¿Investiga cuál es el nombre común de la enfermedad por intoxicación con plomo? R: 23
    • Lee la siguiente lectura en equipos de 4 alumnos y escribe los pasos del método científico que apoyaron la teoría de la desaparición de los dinosaurios. Lectura No. 10: “Piezas del rompecabezas de los dinosaurios” http://www.ciudadfutura.com/dinosaurios/images/extincio.gif Durante más de 150 millones de años predominaron innumerables variedades de dinosaurios en la Tierra, sin duda esto representa uno de los logros más sorprendentes de cualquier grupo de organismos hasta la fecha, sin embargo, hace 65 millones de años los dinosaurios desaparecieron de manera repentina y su muerte fue casi instantánea en la escala del tiempo geológico. ¿Qué ocurrió?. ¿Cómo pudo desaparecer un grupo de animales que había dominado la tierra durante tanto tiempo? Aunque se han propuesto muchas teorías para explicar la extinción de los dinosaurios, ninguna parece muy convincente. Hasta hace poco, al examinar muestras de rocas que contenían material de la superficie terrestre de la época en que los dinosaurios murieron, los geólogos encontraron cantidades poco acostumbradas del elemento iridio. Este metal suele encontrarse en cantidades relativamente grandes en objetos extraterrestres, como los meteoritos y los cometas, por lo cual sugiere, que probablemente un objeto de gran tamaño, haya chocado con la tierra, los geólogos proponen que esto sucedió hace aproximadamente 65 millones de años. Se cree que la tremenda explosión resultante de este encuentro, arrojó millones de toneladas de polvo fino a la atmósfera, bloqueando gran parte de la luz solar que normalmente llegaba a la superficie terrestre; probablemente esto produjo la desaparición de muchas plantas, ya que dependen de la energía solar para crecer, a su vez los animales de la tierra sufrieron disminución considerable de su alimento y comenzaron a morir. Estudios más recientes, han demostrado que el elemento niobio también está presente en estas muestras del interior de la tierra en cantidades que dan apoyo a la teoría de que el planeta fue golpeado por un objeto extraterrestre de gran tamaño. 24
    • Por lo tanto, la presencia de los elementos iridio y niobio en estas muestras de tierra, proporcionan una posible respuesta a un enigma que se intentó resolver durante muchos años. Lee atentamente la siguiente práctica antes de realizarla. Práctica No. 1: “Observaciones con una vela” Objetivo: Describir los pasos del método científico. Material: 1 vela 1 trozo de cartón de 20 x 20 cm 1 frasco de vidrio de boca ancha de 2 L. 1 regla graduada 1 caja de cerillos Teoría: Es muy importante que el alumno desarrolle su capacidad de observación y de razonamiento crítico para que pueda aplicar los conocimientos adquiridos. La descripción de las observaciones que se puedan hacer con una vela encendida, ponen de manifiesto que se pueden sacar muchas conclusiones de cualquier experimento por insignificante que parezca, siempre y cuando nos apeguemos al método científico; es decir, que observemos los hechos con el fin de explicarlos. La base de la investigación de un fenómeno consiste en preguntar ¿Por qué?, Aprendamos a preguntarnos, por qué cuando observamos, no sólo lo hacemos en las observaciones científicas sino también en la vida diaria, comprobaremos que esto hace a la vida más interesante, algunas preguntas las contestamos correctamente; habrá muchas cuya respuesta zona oxidante todavía no sea zona más caliente satisfactoria, éstas son las preguntas más zona de reducción importantes, porque son las que tendremos que zona fría mezcla de aire y gas resolver en el futuro. La siguiente figura muestra las partes de la flama de una vela. 25
    • De cualquier experimento se pueden realizar observaciones, extraer deducciones e inferir aplicaciones del método científico. Desarrollo 1. Coloca el cartón en el piso. 2. Sobre el cartón, coloca la vela 3. Enciende la vela y contesta las preguntas que se indican Preguntas 1. ¿Qué forma tiene la vela? R: 2. ¿Cuál es su diámetro? R: 3. ¿Cuál es su longitud inicial? R: 4. ¿De qué material está hecha? R: 5. ¿De qué color es el material? R: 6. ¿Es blanda o dura? R: 7. a) ¿Por qué arde la mecha de la vela? R: b) ¿Por qué al quemarse la mecha queda el color negro? R: 26
    • 8. ¿Por qué la vela encendida emite luz en vez de sonido? R: 9. ¿Por qué la cera que se encuentra en la parte superior junto a la mecha es líquida? R: 10. ¿Por qué la flama produce humo? R: 11. ¿La flama consta de varias zonas de diversos colores: azul, oscura, amarillo brillante y amarillo naranja? ¿Qué significa cada color? R: 12. ¿Por qué la flama emite calor suficiente para producir una quemadura? R: 13. ¿Por qué la cera de la parte superior de la vela se transforma de sólida a líquida con el calor? R: 14. ¿Por qué si escurres la cera líquida sobre los bordes de la vela se vuelve sólida? R: 15. ¿Por qué si se tapa la vela con un frasco de vidrio ésta se apaga? R: Con este experimento el alumno establecerá que la observación es la base del método científico, las respuestas que se obtuvieron a las preguntas representan las hipótesis. Si estas respuestas tienen validez en todos los casos, el alumno podrá formular una ley, tras realizar numerosos experimentos y agotar todas las posibilidades de error. Este es el verdadero sentido de la investigación científica, aquélla que no se conforma con las primeras respuestas a las interrogantes. 27
    • Lee cuidadosamente la siguiente práctica antes de realizarla. Práctica No. 2: “Aplicación del método científico”. Objetivo: Usar el método científico para resolver el problema planteado Introducción: En el experimento se manejan sustancias y materiales fáciles de conseguir, se presentan fenómenos donde se observa cambios de coloración, esto motivará al alumno a descubrir nuevos conocimientos y, además, a usar principios básicos del método científico para deducir cual de los tubos inició la contaminación de los demás. Material: Reactivos: 50 Tubos de ensaye de 15 mL 500 mL de agua destilada 50 Goteros 10 mL de NaOH diluido 50 Gafetes 10 mL de fenolftaleína como indicador Desarrollo 1. Escribe tu nombre en un gafete que te servirá de identificación. 2. Pasa a tomar un tubo de ensaye, el cual está en la mesa que contiene la sustancia x. 3. Elige un compañero para que lea la siguiente historia sobre el SIDA. "El virus del SIDA es muy peligroso, difícil de combatir, se están haciendo investigaciones para hallar una vacuna que pueda prevenir el contagio del mal, desgraciadamente aún no se ha logrado nada”. En este salón se va a simular la forma en que se propaga el virus, para ello cada uno de ustedes tiene un tubo de ensaye con una sustancia x que a simple vista no se puede saber si está contaminado o no con el virus del SIDA, pero el profesor sabe cual de ellos es el que está contaminado. Para simular la propagación del virus que sucede cuando hay relaciones sexuales con otras u otros compañeros, se va a hacer lo siguiente: 4. Llena tu gotero y reparte unas gotas con tres de tus compañeros al azar (A quién ya le hayas dado que no te de y anota el nombre de quienes te dieron). 5. Escribe el nombre del compañero a quien le diste de tu solución. 6. Solamente se vale dar 3 veces y recibir 3 veces. 28
    • 7. Una vez que todos realizaron el paso anterior pasar al frente por unas gotas de la sustancia detectora (fenolftaleína), si hay color indica que la prueba es positiva.(no entregues el tubo hasta que se haya concluido la práctica). 8. Anota tu nombre en el pizarrón si resultaste contaminado y escribe el nombre de quienes te dieron y a quienes diste. 9. Por deducción lógica y con la participación de todos, identifica quien fue el transmisor, con la ayuda del siguiente ejemplo: Contaminados ¿Quién te dio muestra? ¿A quién le diste muestra? Juanita Alex Enrique Luis Lupita Rosi Rosalinda Dany Boy Daniel Ignacio Alex Juanita Alex Ma. Elena Rosalinda Priscy Fer Nacho Ela Dany boy 7. Para eso se manejaran dos formatos, en el primero se llevara a cabo el control de todos los alumnos participantes, anotando los nombres de los alumnos participantes en la primera columna, y en las dos siguientes que están subdivididas en otras tres columnas, se anotará en las tres primeras a quien se le dio la muestra, y en las tres últimas quien le dio la muestra, se recomienda que el profesor se apoye del maestro de laboratorio para controlar, la distribución del reactivo y un alumno para anotar en el primer formato. El segundo formato, se proporcionará a cada alumno para que lleve el control de a quién le dio la muestra y de quién recibió la muestra. Los formatos se tienen a continuación: 29
    • Formato 1: “Aplicación del método científico” Nombres Anote a quien dio la muestra Anote quien le dio la muestra 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Formato 2: “Aplicación del método científico” A quien le dio muestra Quien le dio la muestra Nombres 1 2 3 1 2 3 Razonamiento: Si Juanita que está contaminada le dio a Alex, Enrique y Luis; se esperaría que los 3 estuvieran contaminados, pero como Enrique y Luis no están contaminados, se deduce que Juanita no fue la que inicialmente estaba contaminada. Continuar con la eliminación y escribir los alumnos que se sospeche sean los propagadores del virus. 30
    • Finalmente deducir el propagador. No puede ser ¡Trágame tierra! Tu fuiste 1.2.1 Definición clásica y definición según la física relativista de materia. Forma equipos de 4 estudiantes, lee la siguiente lectura y presenta un resumen al grupo. Lectura No. 11: “Propiedades del azufre” Las propiedades intensivas (características) del azufre comprenden propiedades tanto físicas como químicas, es posible evaluar cada una de las propiedades físicas sin cambiar la composición del azufre. Las propiedades químicas son las que se exhiben cuando la sustancia sufre un cambio químico. Enseguida se mencionan algunas propiedades físicas y químicas del azufre. Propiedades Físicas: Tiene un color amarillo pálido. Es sólido a temperatura ambiente. Es frágil. No conduce la corriente eléctrica. No es soluble en agua. 31
    • Propiedades Químicas: Arde en oxígeno formando el dióxido de azufre (gas) que tiene un olor irritante. Reacciona con el carbono formando bisulfuro de carbono, que es un líquido incoloro. Reacciona con el hierro formando sulfuro de hierro (compuesto sólido). La materia es la base del universo, ocupa un espacio, tiene masa y energía, la energía es una propiedad asociada también a la radiación. La materia es la sustancia con la que están hechos todos los objetos, cada parte de la materia (por muy pequeña que sea), se presenta en diversas formas, su estructura se compone de átomos y moléculas, en diversas combinaciones de los elementos de la tabla periódica. Los cuerpos, (porciones de materia), se distinguen entre sí por sus diferentes propiedades, (los distintos atributos que impresionan nuestros sentidos), la manera de comportarse unos cuerpos con otros y la forma de utilizar la energía. La materia de la cual está compuesto el universo tiene dos características: posee masa y ocupa un lugar en el espacio. La materia se presenta en diversos estados, es decir: sólida, líquida, gaseosa y plasma; por ejemplo: las estrellas, el aire que respiramos, la gasolina de los automóviles, las sillas, la torta de pavo del almuerzo, los tejidos cerebrales que permiten leer y comprender este material, etc. Para tratar de entender la naturaleza de la materia, ésta se clasifica de diversas formas; por ejemplo la madera, las rocas, los huesos y el acero comparten ciertas características; todos ellos son rígidos con una forma definida difícil de cambiar. El agua y la gasolina toman la forma de cualquier recipiente que los contenga. A pesar de ello un litro de agua tiene un volumen de 1 litro sin importar que se encuentre en una cubeta o en un vaso de precipitados. El aire toma la forma del recipiente que lo contiene y lo llena de manera uniforme por ejemplo un balón, un globo o una rueda de bicicleta. 32
    • Definición actual Materia es toda sustancia que requiere energía para un cambio de reposo o de movimiento. Según la física relativista la materia tiene cuatro propiedades que son: masa, energía, espacio y tiempo. http://www.ugm.org.mx/agm/ Lee cuidadosamente la siguiente práctica antes de realizarla. Práctica No. 3: "El aire también es materia" Objetivo: Demostrar que el aire es materia aunque no se vea y que ocupa un lugar en el espacio. Teoría: La materia se puede describir simplemente "eso" de lo que están hechas todas las cosas materiales del universo; el agua, la sal, el acero, las estrellas e incluso los gases presentes en el aire. Material 1 recipiente con agua 1 vaso de vidrio 1 pañuelo desechable (servilleta o un pedazo de papel sanitario) 1 bolsa de plástico o papel. Desarrollo parte I 1. Llena con agua el recipiente hasta sus tres cuartas partes. 2. Coloca el pañuelo desechable en el fondo del vaso 3. Invierte y sumerge el vaso hasta el fondo del recipiente, tomando el vaso con fuerza para no ladearlo. Saca el vaso cuidadosamente y observa lo que sucedió. 33
    • Pregunta: ¿Por qué el pañuelo no se mojó? R: Desarrollo parte II 1. Abre la bolsa. 2. Tómala con una mano por la orilla de la boca y gira rápidamente tu brazo. 3. Cierra la boca de la bolsa retorciendo la parte superior y sostenla con la mano. 4. Aprieta la bolsa con la otra mano. Pregunta: ¿Por qué la bolsa opone resistencia a que se le comprima, cuando la cierras? R: Nota: Dar 5 minutos para que los alumnos organizados en equipos de 4, respondan y expongan a los demás su conclusión. 1.2.1.1 ¿Materia, masa y peso es lo mismo? En equipos de 4 personas lee las definiciones y después resuelve los siguientes problemas: Problema 1: Cierto astronauta tiene una masa de 65 Kg, compara la masa del astronauta en los entornos que se indican; además, reacomoda la lista de modo que el entorno que produzca mayor peso aparezca en primer lugar. a) La luna con una gravedad de 0.17 veces la gravedad de la tierra. R: b) La tierra. R: c) El espacio. R: 34
    • d) Marte, con una gravedad de 0.36 veces la gravedad de la tierra. Problema 2: ¿Cuál sería tu peso en Marte? peso en Marte = peso en la Tierra x 0.36 Masa es la cantidad de materia de un objeto. Peso es la fuerza que la masa ejerce sobre un punto, debido a la atracción gravitacional. En el espacio donde las fuerzas gravitacionales son muy débiles, un astronauta puede perder peso, pero no perder masa; de hecho, la masa del astronauta es la misma sobre la tierra que en otro planeta. R: 1.2.2 Propiedades de la materia En equipos de 4 personas lee las lecturas: "Fibras ópticas", “Mordedura de serpiente" y contesta las siguientes preguntas? Preguntas: 1. ¿Para qué se utilizan las fibras ópticas? R: 2. ¿Cómo se fabrican las fibras ópticas? R: 3. ¿Qué fibras ópticas permitirán transmitir señales por el Océano Pacífico sin necesidad de estaciones repetidoras? R: 35
    • 4. ¿Cómo se llama la sustancia que se utiliza para bajar la presión sanguínea? R: 5. ¿Cómo se llama la sustancia que se usa para elevar la presión sanguínea? R: Lectura No. 12: “Fibras ópticas” Así como el bulbo fue reemplazado por el transistor en la electrónica moderna, los alambres de cobre están siendo sustituidos por fibra de sílice tan delgadas como un cabello, para transmitir las conversaciones y los datos digitales de un lugar a otro, en lugar de un pulso de electrones a través del alambre de cobre, se envía un pulso de luz a través de fibras transparentes que transportan toda la información, el aspecto que hizo posible esta tecnología óptica, fue la producción de fibras de sílice transparentes, por medio, de un nuevo proceso conocido como Deposición Química al Vapor (DQV), en esencia, el proceso consiste en quemar compuesto de silicio en una corriente de oxígeno para crear una capa de sílice puro, depositado dentro de un tubo de vidrio. El tubo y su depósito de sílice se funden y se estiran para producir una fibra de sílice cubierta con una capa de vidrio, tan delgada como la décima parte de un cabello humano. http://usuarios.lycos.es/Fibra_Optica/caracteristicas.htm En menos de una década el proceso de DQV permitió mejorar ampliamente el rendimiento de las fibras ópticas, reduciendo las pérdidas de luz en la fibra en alrededor de cien veces, una nueva clase de materiales; los vidrios de fluoruro, pueden producir fibras que son aún más transparentes, en contraste con los vidrios tradicionales, que son mezclas de óxidos metálicos; los vidrios de fluoruro son mezclas de fluoruro metálico, aunque se espera resolver muchos problemas prácticos, este nuevo vidrio permitirá, en principio, la transmisión de una señal óptica a través del Océano Pacífico sin necesidad de estaciones repetidoras. 36
    • Lectura No. 13: “Mordedura de serpiente” ¿Tienes presión alta? Tal vez te gustaría recibir una dosis de veneno de serpiente. ¡Si, es verdad! Los hipertensos pueden encontrar que su futuro tratamiento venga de esta fuente inverosímil y de una continua investigación en química y fisiología. http://adictosalosreptiles.free.fr/html/ Ésta historia comenzó hace 30 años, cuando los científicos descubrieron el mecanismo químico por el cual se eleva la presión sanguínea en los humanos; con técnicas químicas lograron aislar dos sustancias muy relacionadas la angiotensina I y la angiotensina II, en la química del cuerpo humano, la II se produce a partir de la I con la ayuda de una enzima específica, la "enzima convertidora de angiotensina" (ECA) Aunque la I no tiene efecto fisiológico su reacción produce angiotensina II, la sustancia más potente conocida para elevar la presión sanguínea, por lo tanto, la I es una reserva a partir de la cual se produce la II, conforme se necesite para mantener los niveles hormonales de presión, una conversión que es controlada por la enzima ECA. No debe sorprender que también haya una sustancia proporcionada por la naturaleza para bajar la presión sanguínea, llamada bradiquinina, la cuál, junto con la angiotensina II, parece completar el mecanismo de control, para elevar la presión cuando ésta es muy baja, se produce angiotensina II por medio de la ECA. Para bajar la presión cuando esta es muy alta, un poquito de bradiquinina logrará este cometido. Durante los años 60, un grupo de científicos brasileños se empeñaron en aprender como se las arregla una mortífera serpiente de América del Sur para inmovilizar a su presa, se reconoció que el veneno de esta serpiente contenía algunas sustancias que podían lograr una caída precipitada de la presión sanguínea, las investigaciones bioquímicas mostraron que estas sustancias actuaban estimulando la bradiquinina, por lo que fueron llamadas “factores potenciadores de la bradiquinina“ (FPB) De nuevo la química hizo su parte purificando la FPB del veneno de esta serpiente e identificando varios compuestos que llevan a cabo esta actividad. El análisis químico mostró que eran péptidos específicos. El siguiente capítulo de esta historia comenzó cuando la ECA se purificó y se descubrió su estructura química, ésta abrió las puertas para entender como hacían su trabajo los FPB del veneno de serpiente, algunos de los péptidos en el FPB bloquean a la ECA interfiriendo en la producción de angiotensina II. Así, y un tanto por sorpresa, se descubrió que la ECA obtenía parte de su función de control de su capacidad para inactivar la bradiquinina, al descubrir esto la sagaz serpiente proporciona algunos péptidos en su veneno ¡para proteger a la bradiquinina de la 37
    • inactivación! Por lo tanto, estos péptidos FPB incapacitan al organismo para usar la ECA, ya sea para elevar la presión sanguínea produciendo la angiotensina II o para moderar la acción hipotensora de su propia sustancia de control, la bradiquinina. Entendiendo esto, grupos de biólogos y químicos comenzaron recientemente un ataque sistemático a la hipertensión. Una de las causas de muerte más insidiosas en nuestro tenso mundo, sintetizaron una serie de péptidos imitando a los encontrados en el veneno de serpiente, pero diseñado para uso terapéutico. El éxito vino con la síntesis del compuesto captopril, este actúa como un inhibidor de ECA, y las pruebas clínicas han demostrado ampliamente su eficacia para bajar las presiones sanguíneas anormalmente altas, no debe extrañar entonces que la profesión médica tenga grandes expectativas en los inhibidores de la enzima ECA en el tratamiento de la población hipertensa. Las lecturas anteriores muestran el aprovechamiento de las propiedades de las fibras ópticas y las propiedades del veneno de la serpiente. En equipos de 4 personas lee los siguientes conceptos y elabora un mapa conceptual de las propiedades de la materia. Las propiedades de la materia se clasifican en extensivas e intensivas. Las extensivas son aquellas que dependen de la cantidad de materia que se mide. Por ejemplo: Masa Peso Propiedades extensivas Inercia de la materia Impenetrabilidad Divisibilidad Volumen Estado de agregación Elasticidad, etc. Las propiedades intensivas son aquellas que no dependen de la cantidad de materia que se mide, sino más bien de su naturaleza; por ejemplo: viscosidad, densidad, temperatura, color, etc. 38
    • organolépticas Físicas constantes físicas Propiedades intensivas combustión oxidación Químicas reducción comburencia La masa, se puede definir como la cantidad de materia contenida en un cuerpo y se relaciona con la resistencia que presentan estos al cambiar su movimiento, en otras palabras, es la medida de la inercia. La inercia, es la propiedad de los cuerpos de mantener su estado de reposo o de movimiento hasta que una fuerza externa los obligue a cambiar. El peso es la fuerza con que la tierra atrae a los cuerpos por acción de la gravedad. La impenetrabilidad es la resistencia que opone un cuerpo a que otro ocupe simultáneamente su lugar, se expresa diciendo que ningún cuerpo puede ocupar al mismo tiempo el lugar de otro. El volumen es el espacio que ocupa un cuerpo. La divisibilidad es el límite en el que la materia se puede dividir, este límite puede ser microscópico o macroscópico y la última división es el átomo. El átomo se puede subdividir hasta desintegrarse, como sucede en la fisión y fusión nuclear. La elasticidad es la propiedad que tienen los cuerpos de cambiar de forma cuando son afectados por una fuerza, recobrando la original cuando la fuerza ha cesado. A las propiedades como textura, color, olor y sabor que son percibidas a través de los sentidos y permiten distinguir un cuerpo de otro, se denominan propiedades organolépticas. En equipos de 4 estudiantes lee y escribe un resumen de las siguientes lecturas, para exponerlas al grupo por un integrante del equipo. 39
    • Lectura No. 14: “Órganos de los sentidos”. Los órganos de los sentidos funcionan como receptores, están distribuidos en todo el cuerpo humano, tienen diversas estructuras y complejidad. Los órganos de los sentidos son: olfato, gusto, tacto, oído y vista, se ponen en contacto con el exterior y con nuestro mundo interno, de tal manera que los centros coordinadores tienen información continua de todo lo que ocurre. La nariz, mediante las células nerviosas que salen del bulbo olfatorio tiene la función de captar los olores. El sentido del gusto percibe los sabores fundamentales mediante las papilas gustativas y la saliva. En casi toda la superficie de la piel, así como en las membranas mucosas, existen ramificaciones nerviosas que permiten recibir las sensaciones correspondientes al tacto, como son la presión, la temperatura y el dolor, entre otras; estas sensaciones son captadas por los corpúsculos táctiles. El sonido se propaga por la generación de ondas sonoras, las cuales son recibidas por el oído. EL sentido de la vista, dentro de los glóbulos oculares, las ondas luminosas recorren las células nerviosas sensibles a los estímulos luminosos. Constantes físicas Las constantes físicas forman parte de las propiedades intensivas y se definen de la siguiente manera: Densidad, es la relación masa-volumen, siendo la unidad de masa el gramo, y la unidad de volumen el mililitro, la densidad se expresa en gramos por mililitro o lo que es lo mismo en gramos por centímetro cúbico. En forma general se puede representar de la siguiente manera: masa m Densidad = esto es: d = volumen v 40
    • La relación de masa-volumen siempre es una relación constante, es independiente de la cantidad de materia, en otras palabras, la densidad de un cuerpo siempre es la misma aunque varíe el tamaño, la forma y el volumen del cuerpo. Punto de fusión, es la temperatura a la cual la materia pasa de estado sólido a líquido, por ejemplo, la mantequilla se derrite al calentarse (pasó del estado sólido al estado líquido). Se llama punto de transformación a la temperatura donde tiene lugar un cambio de estado. El punto de transformación está sujeto a varias leyes, por ejemplo, cuanto mayor sea la presión, tanto mayor será su punto de transformación, esto se aplica también al punto de ebullición, al de sublimación, etcétera. Ebullición, es el hecho de hervir un líquido y el punto de ebullición de un líquido es la temperatura donde la presión de vapor es igual a la presión atmosférica, por lo que se dice que el punto de ebullición varía con la presión atmosférica, por ejemplo: el agua hierve al nivel del mar (760 mm de Hg o 760 torr) a 100 grados Centígrados y en la ciudad de México hierve a 92.8 grados Centígrados, debido a que la presión oscila de 584 a 586 mm de Hg, de esto se deduce que cuando varía la presión atmosférica, el punto de ebullición, también se modifica. Solubilidad. La solubilidad de una sustancia sólida, a una temperatura y presión determinada, es la masa en gramos que satura 100 g de disolvente, al hablar de solubilidad se indica también el fenómeno de la disolución y con ella se expresa de manera cuantitativa la composición de las soluciones. El grado de solubilidad depende de la temperatura y la presión a la que se encuentre la sustancia. “¿Cómo distinguimos las propiedades de la materia?” Lee cuidadosamente la siguiente práctica antes de realizarla. 41
    • Práctica No. 4: ”Impenetrabilidad de la materia”. Parte A Objetivo: Observar que dos trozos de materia no ocupan el mismo espacio al mismo tiempo. Material: 1 Frasco de vidrio de un litro de capacidad, de boca ancha con tapa. 1 Pelota pequeña o nuez Arroz crudo. Desarrollo. 1. Vierte arroz en el frasco hasta la cuarta parte. 2. Coloca la pelota o nuez dentro del frasco y ciérralo. 3. Sostén el frasco en posición vertical e inviértelo, agrega más arroz si la pelota no esta cubierta. 4. Agita enérgicamente el frasco hasta que la pelota asome a la superficie, cuidando de no agitar en forma trepidatoria, sino más bien en forma oscilatoria como se observa en la siguiente figura: Preguntas: 1. ¿Qué sucede con la pelota o la nuez? R: 2. ¿Por qué sube la nuez a la superficie? R: Parte B Objetivo: Comprobar que dos objetos no pueden ocupar el mismo espacio, al mismo tiempo. Material:: Reactivos: 1 Vaso de precipitados de 400 mL 1000 mL de agua de la llave 6 canicas 1 Cinta adhesiva 42
    • Desarrollo. 1. Llena el vaso con agua hasta la mitad. 2. Marca el nivel del agua con un trozo de cinta adhesiva. 3. Agrega con cuidado las canicas al agua, inclinando el vaso y permitiendo que resbalen por la pared hasta el fondo, sin que se derrame agua. 4. Coloca el vaso en forma vertical y observa el nivel del agua como se observa en las siguientes figuras. Preguntas: 1. ¿Por qué el nivel del agua es más alto después de agregar las canicas dentro del vaso? R: 2. ¿Cómo se puede calcular el volumen de las canicas? R: 3. Calcula el volumen de las canicas. R: Lee cuidadosamente la siguiente práctica antes de realizarla. Práctica No. 5: "Propiedades Físicas de la materia”. Objetivo: Observar las propiedades físicas y sus cambios. Teoría. Las propiedades físicas describen a una sustancia y se perciben mediante los sentidos (vista, oído, gusto, tacto y olfato). Material: 1 Tarjeta de cartón de 7.5 x 12.5 cm 1 Tijeras. Desarrollo 1. Observa las propiedades físicas de la tarjeta de cartón, como son: color, forma, tamaño y tersura al tacto (lisa, rugosa, etc.) 43
    • 2. Dobla la tarjeta por la mitad a lo largo, antes de cortarla observa el dibujo y considera lo siguiente: a) Todos los cortes se harán dejando entre ellos una separación de 6 mm y los de la orilla se encontrarán cuando menos a 6 mm del borde de la tarjeta. b) Observa que los cortes van alternados de la parte doblada a la orilla abierta. 3. Empieza en un extremo de la tarjeta, cortando primero por la parte doblada de la tarjeta y detente a 6 mm de la orilla abierta. 4. El segundo corte empieza en la orilla abierta y termina a 6 mm de la orilla doblada. 5. Alterna los cortes cambiando de la orilla doblada a la abierta, cuidando de detenerte siempre a 6 mm de la orilla. 6. Desliza la punta de tus tijeras por debajo del doblez en el punto (A) y corta por la línea del doblez hasta llegar al punto (B), cuidando de no cortar el doblez en las dos piezas de las orillas. 7. Estira cuidadosamente la tarjeta y ábrela para formar una cadena larga. 8. Observa de nuevo las mismas propiedades del punto 1. Preguntas: 1. ¿Qué pasó con la forma de la tarjeta? R: 2. ¿Cambió de color? R: 3. ¿Al tocar la tarjeta sientes lo mismo que la primera vez? R: 4. ¿Por qué, el procedimiento con que se hizo el corte produjo el mismo efecto que si se hubieran cortado tiras delgadas de la tarjeta y se hubieran unido entre sí? R: 44
    • Lee cuidadosamente la siguiente práctica antes de realizarla. Práctica No. 6: "Propiedades Organolépticas”. Objetivo: Determinar las propiedades de la materia, a través de las características organolépticas. Material: Reactivos: 1 Pañuelo grande y oscuro. Elige dos alimentos similares en cuanto a sus Recipientes para contener condimentos (que no sean tan obvios su olor y los alimentos con tapa sellada. sabor). Participantes Elige dos participantes de un equipo de 4 personas. Desarrollo. 1. Cubre los ojos de los participantes con el pañuelo. 2. Abrir los recipientes que contienen los alimentos y acercarlos a los compañeros para que los huelan. 3. Con una cuchara dar a probar cada uno de los dos alimentos a los alumnos participantes. 4. Contesta las siguientes preguntas para cada alimento: a) ¿Qué olor percibes? R: b) ¿Qué guisado piensas que es? R: c) ¿Qué condimento predomina? R: d) ¿Cuál es la textura que distingues con los guisados? R: 45
    • Lee cuidadosamente la siguiente práctica antes de realizarla. Práctica No. 7: "La inercia otra propiedad de la materia”. Objetivo: Mostrar la inercia de una moneda. Teoría. La materia puede definirse como cualquier cosa que ocupa espacio y tiene inercia. La inercia es la resistencia a cambiar el estado de movimiento o de reposo. Material: 1 Tarjeta de cartulina de 10 x 10 cm 1 Moneda de 50 centavos ó 1 peso 1 Vaso de vidrio Desarrollo 1. Cubre con la tarjeta la boca del vaso. 2. Coloca la moneda sobre la tarjeta, cuidando que la moneda esté en el centro del vaso. 3. Golpea la tarjeta con tus dedos como se observa en las siguientes figuras. Preguntas. 1. ¿Por qué la tarjeta se mueve con rapidez hacia delante y la moneda cae en el vaso? R: 46
    • 1.2.3 Clasificación de la materia En equipos de 4 personas lean lo siguiente y contesten la pregunta. 1. ¿Qué procedimiento usaría para volver a separar los componentes de una mezcla que se forma con cantidades iguales de masa de arena, sal y pimienta? La materia se clasifica en sustancias heterogéneas y homogéneas, las cuales se separan por métodos físicos. Las sustancias homogéneas se clasifican en: mezclas homogéneas (disoluciones) y sustancias puras, las cuales se separan por métodos físicos. Las sustancias puras se clasifican en compuestos y elementos. Se denomina fase a una porción de materia cuya composición y propiedades son uniformes. Una mezcla heterogénea, es aquella que está formada de diversas fases, cuyas propiedades locales varían en diferentes puntos de la muestra, por ejemplo: granito, espuma, lodo, emulsión aceite-agua etc. Una mezcla homogénea está formada también por diferentes componentes, que pueden separarse por métodos físicos, pero su apariencia es totalmente uniforme; se trata de una sola fase, se conocen también con el nombre de disoluciones. La proporción y el estado de los componentes de una disolución puede variar, por ejemplo: latón, bronce, mezcla alcohol-agua, aire etc. Un compuesto es una sustancia pura formada por una sola fase, la descomposición en sus elementos es posible mediante métodos químicos. 47
    • Una sustancia pura tiene la misma composición de sus elementos, así un elemento es una sustancia pura que no es posible descomponerla en otras más simples ni aún utilizando métodos químicos. Ejemplos: agua (11.19% hidrógeno y 88.81% oxígeno, en masa), sal común o cloruro de sodio (39.34% sodio y 60.66% de cloro, en masa), hierro (100% hierro). H2O NaCl Fe Una de las ideas más antiguas y recurrentes dentro de la química ha sido la pureza, pues el grado de pureza de una sustancia y su determinación es fundamental en esta ciencia. En el laboratorio, la mayoría de las veces es indispensable trabajar con sustancias puras, porque las impurezas contaminan el experimento planeado. En la fabricación de medicinas, alimentos y otros productos químicos, la pureza es también esencial. Obtener una sustancia pura significa haber eliminado otras sustancias, llamadas impurezas. En forma individual Investiga el procedimiento que se emplea para separar los componentes del petróleo. Comenta con tus compañeros de equipo tu tarea, elabora un resumen y elige a un integrante para que exponga el tema al grupo. En equipos de 4 personas lean y comenten las diferentes técnicas de separación de mezclas, después elijan a un representante de equipo para que exponga un resumen. 48
    • Lectura 15: “Mezclar es fácil, lo difícil es volver a separar”. En general, una separación es la operación por la cual una mezcla se separa en al menos dos componentes diferentes. Para efectuar una separación, es necesario conocer las diversas propiedades físicas de los componentes. Las separaciones en química son tan importantes que se puede decir que son un arte. Los principios en que se basan algunas técnicas de separación son: Técnica de separación Principio Filtración Baja solubilidad Destilación Diferencia en puntos de ebullición Sublimación Diferencia en puntos de sublimación Extracción Diferencia de solubilidad en dos disolventes inmiscibles Cristalización Diferencia de solubilidad en disolventes fríos y calientes Cromatografía Diferencia de movilidad de una sustancia que migra a través de un “soporte” Filtración. La solubilidad de un sólido en un líquido determinado, es su característica fundamental, la sal común es soluble en agua, pero el carbonato y el sulfato de calcio (materiales de los que está hecho un gis) son insolubles, en estos casos, se puede lograr una eficiente separación mediante la técnica de filtración, como se muestra enseguida: El papel filtro que se coloca en el embudo, detiene el paso del sólido no disuelto, permitiendo el paso por sus poros tanto el líquido como la sustancia disuelta. 49
    • Destilación. Cada sustancia hierve a una determinada temperatura; una mezcla de líquidos miscibles o una solución formada de un sólido y un líquido, pueden separarse por destilación, esta técnica aprovecha que el vapor en equilibrio con un líquido es más rico en los componentes más volátiles. La siguiente figura muestra un proceso de destilación. La mezcla se encuentra en el matraz, al aumentar la temperatura, uno de los componentes (el más volátil ó el que tenga menor punto de ebullición) se evapora y al pasar por el refrigerante, éste se condensa permitiendo así la separación de la mezcla. El proceso es controlado por la temperatura que se lee en el termómetro que está en el matraz. En la destilación, el vapor que se encuentra en equilibrio con una mezcla líquida posee mayor concentración del componente más volátil y el vapor condensado no tiene la misma concentración que la mezcla inicial por lo que se separan. En la Cangrejera, Veracruz, existe un importante complejo petroquímico de PEMEX, una de sus plantas separa una sustancia, llamada para-xileno, del orto- xileno y meta-xileno; la separación se debe a que el para-xileno se usa en la fabricación de fibras de poliéster para ropa, adhesivos, pinturas, tintas, herbicidas y recubrimientos, en tanto que el orto y meta xileno no tienen el mismo uso. Las fórmulas de dichos compuestos son: CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 a) orto-xileno ó CH 3 c) meta-xileno ó orto-metil, tolueno meta-metil, tolueno b) para-xileno ó Pe = 144 C Pe = 139.3 C para-metil, tolueno Pe = 138.5 C Pe = punto de ebullición. 50
    • Los tres compuestos tienen el mismo número de átomos de carbono e hidrógeno y por estar arreglados en distinta forma se les llama isómeros. El punto de ebullición de estos tres isómeros es tan parecido que la separación por destilación sólo puede lograrse en una torre de unos 60 metros de altura y lo único factible es separar el orto-xileno de los otros dos xilenos, que pueden ser separados posteriormente por cristalización. La siguiente fotografía muestra a una persona con un equipo de destilación, conocido con el nombre de alambique. El alambique sirve para fermentar jugos de caña de azúcar, uva y maíz, el fermentado tiene aproximadamente 10 % de alcohol y en una destilación se obtiene una concentración hasta de 40%. Decantación. La decantación se emplea para separar partículas sólidas que se encuentran en un líquido y que por su mayor peso se sedimentan en el fondo del recipiente. Si se tiene una mezcla de arena y agua, ésta se puede separar por decantación de la siguiente manera: Se deja reposar la mezcla hasta que sedimente el sólido, después se inclina lentamente el vaso para vaciar todo el líquido en otro vaso y de esta manera quedan separadas las sustancias por decantación, como se observa en la siguiente figura: Sublimación. Una sustancia se sublima cuando pasa del estado sólido al gaseoso, sin pasar por el estado líquido, en este método se requiere que uno de los componentes sea sublimable, ejemplo vapores de CO2, I2. 51
    • El siguiente dibujo muestra la sublimación y la cristalización de los vapores de yodo sobre el fondo del matraz. Extracción con disolventes. Esta técnica se basa en la propiedad de solubilidad pero con respecto a dos disolventes distintos, se espera que una de las sustancias presentes en la muestra sea más afín a uno de los disolventes, en cuyo caso puede lograrse la separación. En una extracción, la mezcla líquida que contiene la sustancia por separar y el disolvente (insoluble en el otro líquido) se agita vigorosamente. Se espera que la sustancia pase de la mezcla original al disolvente, con lo que se separará del resto de los componentes no solubles en el disolvente. Una extracción siempre se favorece cuando se eleva la temperatura. Un ejemplo que señala este proceso es la preparación de una infusión (té), en donde ciertas sustancias aromáticas son solubles en agua. Extracciones industriales. Tanto el petróleo crudo como el gas que le acompaña contienen azufre en forma de ácido sulfhídrico (H2S), no es conveniente dejarlo allí, pues si forma parte de los combustibles domésticos e industriales al quemarse produce SO 2 que es un peligroso contaminante atmosférico de acuerdo a la siguiente reacción: 2 H2S + 302 2 SO2 + 2 H2O La eliminación del H2S se lleva a cabo en la industria por extracción con diversos líquidos orgánicos, como la monoetanolamina (NH2CH2CH2OH) después de extraído el H2S, se utiliza para obtener azufre y ácido sulfúrico. Ejemplo de una torre de destilación fraccionada para el tratamiento del petróleo crudo. 52
    • Cristalización. La cristalización también se basa en la solubilidad, específicamente en el cambio de ésta con la temperatura. Se sabe que la cantidad de una sal que se disuelve en agua aumenta cuando se incrementa la temperatura, si esta disolución caliente y saturada se enfría, la sal cristaliza. Al disolver diferentes sustancias en un disolvente, cada una tiene su solubilidad característica, por lo que se puede cristalizar primero una y después la otra durante el enfriamiento, a esto se le conoce como separación por cristalización fraccionada. Los compuestos de uso cotidiano que pueden usarse para la cristalización son el azúcar y la sal. Investiga que procesos de cristalización se utilizan cotidianamente en el hogar o en tus actividades normales y descríbelos. Reúnete con tu equipo y comenta la tarea para que se exponga el resumen correspondiente. En equipo de 4 personas lee y comenta lo siguiente; después elige a un representante de equipo para que exponga el resumen correspondiente. El azúcar se obtiene de diversos vegetales, entre ellos la caña de azúcar. El principal edulcorante del jugo de la caña de azúcar es la sacarosa, cuya estructura química es: 53
    • La sacarosa es un disacárido formado de dos anillos, uno de 6 carbonos (glucosa) y otro de 5 carbonos (fructosa). Por medio de procesos químicos y biológicos se hidroliza la sacarosa para obtener glucosa y fructosa que se usan para fabricar jarabes. El proceso de obtención de azúcar se inicia con la extracción del jugo de caña (por prensado), después se clarifica adicionando hidróxido de calcio Ca(OH)2, enseguida se carbonata burbujeando CO2, se filtra y finalmente el jugo se concentra por evaporación que al enfriarlo se provoca la cristalización del soluto. Actualmente los cristales ya no se separan por filtrado, sino basándose en una centrifugación en caliente, el azúcar así obtenida se llama bruta o mascabado y requiere una refinación posterior para su consumo, que se hace por tratamientos químicos decolorándola con carbón o tierra de diatomeas. En equipo de mesa de laboratorio realiza la siguiente práctica y presenta ante el grupo el cristal que obtengas. Práctica No. 8: “Cristales moleculares: Azúcar”. Objetivo: Obtener cristales de mayor tamaño que los comunes (a esto se le conoce como recristalización) de la sacarosa. Teoría: La cristalización es un método de separación de un sólido contenido en un líquido, para realizarla es necesario concentrar la solución por evaporación y después de enfriarla se formarán los cristales. La cristalización se puede acelerar por la adición de cristales ya formados (esto se llama “siembra de cristales”). En este experimento se obtendrá una “recristalización” de la sacarosa, el tiempo que dura la actividad será de 3 a 10 días. El azúcar de mesa se le llama sacarosa (C12H22O11), cuando se recristaliza, las moléculas simples de sacarosa contenidas en la solución, se pegan a la superficie de los cristales de azúcar (“siembra de cristales” ) para hacerlos más y más grandes. El crecimiento de los cristales nos ayuda a apreciar que las sustancias están formadas de moléculas simples, los sólidos tienen muchas moléculas acomodadas de manera regular formando cristales, en las soluciones, las moléculas disueltas están dispersas entre las moléculas de agua. 54
    • Material: Reactivos: 1 Termómetro. Azúcar. 1 Recipiente para calentar el agua y el azúcar. Agua 4 Vasos de precipitados de 500 mL, lápiz, cuerda y clip. 1 Mechero Bunsen. 1 Taza. 1 Lupa o microscopio Desarrollo 1. Calienta un cuarto de litro de agua en un recipiente hasta que hierva. 2. Registra la temperatura del agua cada 30 segundos a medida que se calienta y cada 2 minutos mientras hierve. 3. Agrega gradualmente 2 tazas de azúcar, mientras continuas registrando la temperatura cada 30 segundos, no uses el termómetro como agitador. 4. Continúa calentando y registrando la temperatura hasta que alcance los 115ºC. 5. Vacía cuidadosamente la solución en el vaso de precipitados. 6. Ata una punta de la cuerda a un lápiz y el otro extremo, a un clip de tal manera que al colocar el lápiz sobre el vaso de precipitados y que el clip casi toque el fondo del mismo. 7. Introduce la cuerda en la solución caliente para mojarla. 8. Introduce la cuerda húmeda en el azúcar seca, para que algunos cristales se adhieran a ella. 9. Coloca la cuerda sobre el vaso de precipitados y ubícalo en un lugar donde no se mueva como se muestra a continuación. 10. Haz una gráfica de los cambios de temperatura durante el calentamiento y la ebullición, colocando la temperatura en el eje vertical y el tiempo en el horizontal y marca sobre la línea los lugares donde (1) hirvió el agua pura, (2) se agregó el azúcar (3) hirvió la solución de azúcar. 11. Observa diariamente los cristales (3 a 10 días) y registra tus observaciones. 12. Remueve de la cuerda los cristales mayores, mídelos en milímetros y dibújalos. Preguntas: 1. ¿Qué notaste acerca de la temperatura del agua pura cuando está hirviendo?. R: 55
    • 2. ¿Qué notaste acerca de la temperatura de la solución de azúcar y agua cuando está hirviendo? R: Lee el siguiente artículo y en forma individual elabora un resumen. Lectura No.16: “Dulce sin azúcar”. En 1754, Linneo propuso la existencia de once tipos de sabores, hoy consideramos sólo cuatro: salado, ácido, dulce y amargo, aún no se conoce bien la naturaleza molecular de los receptores en el sentido del gusto, pero el contacto de sustancias con las papilas gustativas provoca una reacción sensora que el cerebro traduce a lo que conocemos como "sabor". El sabor dulce es, sin duda, el más atractivo para los seres humanos, los edulcorantes constituyen un importante sector de la industria alimenticia, en el que día a día se llevan a cabo desarrollos tecnológicos para encontrar nuevas sustancias con sabor dulce. La más tradicional de todas es la sacarosa o azúcar de mesa que tiene un alto poder calórico para el organismo. Un desarrollo importante en el terreno de los edulcorantes ocurrió con la síntesis de la sacarina en el siglo pasado, esta sustancia fue el primer edulcorante "no metabolizable", que se utilizó para pacientes diabéticos o para adelgazar. Algunas pruebas con roedores demuestran que en dosis alta la sacarina puede producir cáncer, por lo que actualmente ha sido sustituida por otras sustancias, con las que se endulzan los refrescos "dietéticos". Los edulcorantes no calóricos son: a) Sacarina b) Ciclamato de sodio (desechado por sus riesgos tóxicos). c) Aspartame, el más generalizado por el momento, es doscientas veces mas dulce que el azúcar, consiste en la unión de dos aminoácidos que no son tóxicos debido a su naturaleza, sus nombres comerciales son Canderel y Nutra Sweet. 56
    • d) Acesulfamo K, de la compañía Hoechst, que tiene el nombre comercial de Sunnette. De lo anterior se deduce que son distintas sustancias las que nuestra lengua reconoce como "dulces", de modo que todavía no está claro como nuestras papilas y nuestro cerebro identifican los sabores de las sustancias. Nuestro sentido del gusto es de gran importancia, pues es una de las cinco maneras de comunicarnos con nuestro medio ambiente y se trata, sin lugar a dudas, de una interacción de naturaleza química que seguiremos explorando en él. Lee el siguiente artículo y en forma individual elabora un resumen. Lectura No. 17: “Cromatografía”. En 1906, el botánico ruso M. Tswett, realizó un experimento que condujo al descubrimiento de esta técnica. Colocó un extracto de pigmentos vegetales en la parte superior de una columna de vidrio rellena de yeso pulverizado, al agregar éter observó que de la mezcla original se separaba en sus componentes, en la columna, diversas bandas coloridas, que descendían a diferentes velocidades. En la cromatografía en adición de eluyente columna, los componentes de la mezcla interactúan en diferente manera, tanto en el disolvente que se añade sílica y recorre la columna (fase móvil o eluyente) como con la sustancia empacada sustancias que se desplazan a diferentes velocidades (fase estacionaria o soporte), por lo que unos migran más rápidamente lana de vidrio que otros y por lo tanto pueden separarse fácilmente. La fase móvil puede ser un gas, en lugar del líquido que desciende por la columna y entonces hablamos de cromatografía de gases. 57
    • Esta técnica no sólo se utiliza para separar componentes de mezclas, sino que proporciona más información, por una parte, nos indica el número de componentes de una mezcla, así como la proporción de cada uno; también, como cada sustancia muestra una velocidad de migración dada, los detectores más modernos permiten identificar químicamente dichos componentes. Se puede ilustrar la importancia de la cromatografía mencionando que dos premios Nóbel (A. Tiselius en 1948 y A.J.P. Martín y R.L.M. Synge en 1952) se concedieron por el trabajo desarrollado directamente en esta técnica y al menos una docena de premios Nóbel más, ha jugado un papel importante, desde el descubrimiento de la química de los carotenoides y las vitaminas A y B (por P. Karrer en 1937), hasta la elucidación de estructuras complejas como los anticuerpos (por Stein, Porter y Edelman en 1972). Las áreas de aplicación son muy diversas y abarcan prácticamente todas las actividades en las que interviene la química, algunas aplicaciones son: 1. Realizar el análisis de drogas y fármacos en fluidos biológicos como la saliva, la sangre y la orina. 2. Seguir la transformación de las sustancias responsables de la transmisión neurológica. 3. Determinar la presencia de contaminantes en el medio ambiente. 4. Descifrar la composición de los combustibles fósiles. 5. Realizar el control de calidad de los productos químicos y farmacéuticos manufacturados; en fin, la lista de ejemplos es interminable. Un rasgo característico de la cromatografía es la presencia de dos fases, dispuestas de manera que mientras una permanece estacionaria dentro del sistema, la otra (la fase móvil) se desplaza a lo largo de él. La clave de la separación en cromatografía es la velocidad con la que se mueve cada sustancia y depende de su afinidad relativa por ambas fases (equilibrio de distribución). En el experimento de Tswett, la separación de los pigmentos vegetales se logró gracias a que cada uno de ellos tenía una afinidad diferente por cada una de las fases, los afines a la fase estacionaria (más retenidos) avanzan más lentamente, en tanto que los más afines a la fase móvil (los menos retenidos) se desplazan con más rapidez. El resultado es que el medio cromatográfico (columna, placa o papel) funciona como un soporte donde las sustancias se separan por medio del eluyente y de acuerdo con su peso molecular, así como las rocas más livianas son acarreadas más fácilmente que las pesadas por la corriente de un río. Aunque los principios fundamentales son los mismos, se acostumbra clasificar los métodos cromatográficos según el estado físico de la fase móvil: 58
    • a) Cromatografía líquida. Es la forma original en que Tswett desarrolló la técnica, la fase móvil es un disolvente o mezcla de disolventes y la fase estacionaria un sólido que interactúa con las sustancias que se desea separar (cromatografía líquido-sólido), o bien un líquido inmiscible con la fase móvil, depositado en la superficie de un sólido (cromatografía líquido-líquido) Esta cromatografía puede realizarse con diferentes arreglos experimentales: en columna, en capa delgada o en papel; en el primer caso, la fase estacionaria está formada por un tubo relleno, en el segundo, se dispersa sobre una placa de vidrio o aluminio formando un lecho de espesor uniforme; en la cromatografía en papel, la fase estacionaria es la solución acuosa contenida en el interior de las celdas formadas por las fibras de la celulosa, y es por tanto una forma de cromatografía líquido-líquido. b) Cromatografía de gases. En este caso la fase móvil es un gas inerte (helio ó nitrógeno) y la fase estacionaria es un sólido (cromatografía gas-sólido) ó un líquido "sostenido" por un sólido inerte (cromatografía gas-líquido). Este tipo de cromatografía siempre es en columna, ya que es la única manera de que la fase móvil gaseosa se mantenga fluyendo, confinada dentro del sistema, la columna puede estar rellena con la fase estacionaria. En forma semejante a la cromatografía líquida o bien la fase estacionaria puede depositarse sobre las paredes de un tubo muy delgado (0.25 mm de diámetro) y hasta 100 m de largo, este tipo de columnas se conocen como columnas capilares y proporcionan la mayor capacidad de separación. La cromatografía es una técnica de gran importancia en el desarrollo de la ciencia y la tecnología, y su propio desarrollo ha estado íntimamente ligado al de la tecnología, en general. Desde su invención por Tswett, hace casi un siglo, hasta ahora, no han cesado las innovaciones que aumentan las áreas de aplicación de la cromatografía, aún se sigue incorporando nuevas concepciones. Como la cromatografía con fluidos supercríticos (la fase móvil es una sustancia en condiciones de presión y temperatura superiores a las del punto crítico) desarrollada de manera sistemática desde finales de la década de 1980. El descubrimiento y desarrollo de la cromatografía no ha sido consecuencia de actos fortuitos, sino el resultado de la investigación constante. Desde sus inicios hasta nuestros días se ha aumentado su capacidad de separación varios centenares de veces mediante el desarrollo de las técnicas de alta eficiencia, en cromatografía líquida utilizando fases estacionarias cada vez más finas (partículas de hasta 3 micrómetros de diámetro) y en cromatografía de gases con columnas capilares muy delgadas (tubos de 100 micrómetros de diámetro). 59
    • Los tamaños de muestra que se utilizan son muy pequeños, del orden de un microlitro L (una millonésima de litro) y la instrumentación actual permite detectar cantidades de sustancia tan pequeñas como un pg (1 picogramo = 1 x 10 -12 g); con los avances más recientes es posible determinar la estructura química de las sustancias separadas. Lectura No. 18: “Química forense”. Una de las primeras investigaciones en química forense se realizó en 1889 en Francia, cuando Alexandre Lacassagne identificó el cuerpo de una persona en estado de putrefacción, al analizar un cabello negro del cadáver, mientras que el cabello del cadáver perdido era café. Lacassagne sabía que el color del cabello frecuentemente cambia cuando el cuerpo permanece en el ataúd, por lo que lo lavó repetidas veces, hasta encontrar su color original. En efecto el cabello era café, más tarde pidió a un químico que lo analizara (y aquí empieza la química forense, con el minucioso análisis de los objetos relacionados con un crimen) para buscar si el cabello era teñido. El resultado negativo de esta prueba cromatográfica, indicó que el color natural era café, finalmente, comparó el grosor del cabello del cadáver con el del hombre perdido (extraído de su cepillo) y resultaron idénticos. El trabajo de un químico forense consiste en reunir pruebas científicas para aclarar un crimen, en la actualidad se emplean las técnicas de análisis más elaboradas, que van desde la identificación y clasificación de huellas digitales, el análisis de drogas, sangre, cabellos, suelo, basura, documentos y recientemente, hasta cromosomas. En forma individual realiza esta práctica en tu casa y presenta los resultados en tu cuaderno, al profesor. Práctica No. 9: “Principio de la cromatografía sólido-líquido”. Objetivo: Demostrar de manera fácil, sencilla, económica y llamativa, los conocimientos cromatográficos en fase sólido-líquido. 60
    • Parte A Material: 1 hoja de papel revolución 1 vaso grande 1 marcador negro acuacolor 1 gis blanco 1 corcholata Desarrollo: 1. Corta una tira de papel de 15 cm. de largo por 3 cm. de ancho. 2. Marca un punto con el marcador a un cm. por el extremo inferior del papel. 3. Sujeta la hoja por el extremo donde está el punto y busca la manera de sostenerlo sobre el vaso. 4. Coloca agua en el vaso de tal forma que toque aproximadamente 3 mm, por encima de la orilla de la hoja donde se encuentra el punto marcado. 5. Observa después de 15 a 30 minutos. 6. Explica lo sucedido. Parte B Desarrollo 1. Pon un punto de tinta negra sobre la superficie del gis en la parte media. 2. Coloca el gis sobre una corcholata con agua de la llave. 3. Observa el principio de la cromatografía. Nota: Si el marcador utilizado es de aceite utiliza en lugar de agua una mezcla de alcohol-agua o de alcohol-acetona. 1.2.4 Estados de agregación de la materia. En forma individual realiza esta práctica en tu casa y presenta los resultados en tu cuaderno, al profesor. Práctica No. 10: “Propiedades de los gases”. Objetivo: Identificar y comprobar algunas propiedades del estado gaseoso. 61
    • Material: 1 Baño maría 1 Jeringa desechable 1 Globo Resina epóxica o plastilina dura 1 Botella de vidrio Desarrollo 1. Toma una jeringa y quítale la aguja. 2. Coloca el émbolo en el mililitro número 3. 3. Sella el orificio con resina epóxica o plastilina dura. 4. Presiona el émbolo. ¿Cuántos mililitros de aire logras comprimir? ¿Cómo podrías estimar la presión aplicada? 5. Mete la jeringa al congelador durante 10 minutos y observa lo que sucede con el volumen. 6. Coloca la jeringa en baño maría y observa lo que sucede con el volumen. 7. Cubre la boca de la botella con un globo, calienta en baño maría y observa lo que sucede. 8. Deja que se enfríe a temperatura ambiente, métela al congelador y observa lo que sucede con el globo. Compara los experimentos efectuados con la jeringa y el globo. ¿Qué pasará con el aire de la jeringa a nivel del mar (mayor presión atmosférica) o en una montaña (menor presión)?. R: 1.2.4.1. Propiedades generales de los gases Los gases se expanden uniformemente, pueden llenar cualquier recipiente, no importa qué tan grande sea. Se difunden rápidamente uno en otro. Tienden a desplazarse hacia puntos con menor presión. Ejercen presión sobre las paredes del recipiente que los contiene. La presión aumenta con la temperatura, si el gas está contenido en un recipiente rígido. A presión constante, el volumen de un gas crece con la temperatura. Se les puede comprimir por debajo de cierta temperatura, llamada "temperatura crítica", después de ésta los gases se licuan. Su densidad es pequeña comparada con la de los sólidos y los líquidos. 62
    • Lee detenidamente las siguientes dos lecturas: “Inversión térmica” y “La respiración” y elabora un resumen e indica la importancia de ello en nuestra vida cotidiana. Lectura No. 19: “Inversión térmica”. Sin duda, la industrialización y el avance tecnológico han sido fuentes de bienestar para la humanidad, no obstante, este beneficio se ha logrado bajo el esquema económico del menor costo y esfuerzo, sin considerar que la "modernidad" que representa, afecta al medio ambiente. La multiplicación de industrias y automóviles, sin control de sus efectos negativos, ha originado la contaminación del medio ambiente, que pone en peligro la ecología de nuestro planeta. La contaminación y la inversión térmica son fenómenos cruciales en grandes ciudades, la inversión térmica cobra dramática importancia en la ciudad de México, tanto por el tamaño de ésta como por su conformación geográfica, ya que se caracteriza por estar rodeada de montañas que impiden la libre circulación del aire contaminado. Antes de que nos suceda algo similar a lo que ocurrió en diciembre de 1952 en Londres, cuando murieron alrededor de 4000 personas debido a una prolongada inversión térmica, producto de la combustión excesiva de carbón con alto contenido de azufre, conviene crear conciencia de la gravedad del fenómeno. Desde el punto de vista científico, la inversión térmica es fácil de entender. Sabemos que el aire frío es más denso que el caliente al igual que el hielo flota en el agua, el aire más denso (frío) tiende a bajar y ocupar el lugar del aire menos denso (caliente), el cual tiende a subir. Sin embargo, cuando hablamos de enormes masas de aire, este patrón puede alterarse y si algún fenómeno atmosférico origina que el aire frío circule por encima de una ciudad rodeada de montañas, el rozamiento entre las dos masas originará la liberación de calor entre ambas y esto impide que los gases se diseminen, ocasionando el efecto invernadero. Condiciones normales En la figura anterior se observa el perfil normal de temperatura, en condiciones normales, el aire es más inversión térmica capa tibia caliente sobre la superficie y capa fría su temperatura se reduce capa tibia paulatinamente con la altura. 63
    • En la Ciudad de México, las inversiones térmicas son muy frecuentes, al amanecer, la zona de inversión de temperatura se encuentra muy cerca del suelo y los contaminantes no son arrastrados por el aire y empiezan a concentrarse, en situaciones normales, el calentamiento provocado por los rayos del sol hace que el perfil de temperaturas se invierta y al elevarse la temperatura después del medio día, la situación se normaliza, sin embargo en días de invierno la capa superior de aire frío puede ser muy espesa o el sol puede no proporcionar el calor suficiente para romper la inversión y ésta permanezca durante todo el día. Si la inversión perdura durante varios días, la concentración de contaminantes (que alimentan el aire encerrado sobre la ciudad) pueden elevarse hasta niveles peligrosos. En Londres, bastaron seis días de inversión para provocar aquella tragedia de 1952, en México, en lugar de cruzar los dedos para desear que una inversión térmica no se prolongue tanto, lo que deberíamos hacer es reducir sustancialmente la emisión de contaminantes, ello haría disminuir, bajo nuestro control, el riesgo de que una inversión prolongada sea de fatales consecuencias. Observa el amanecer desde fuera de tu ciudad y escribe tus conclusiones. Lectura No. 20: “La respiración”. Nuestras células morirían de no ser porque la sangre les proporciona el oxígeno que toma de los pulmones. Un adulto requiere unos 600 litros de oxígeno al día y elimina unos 480 litros de CO2 Estos gases llegan a las células disueltos y unidos químicamente en la sangre, a la que ingresan en los alvéolos pulmonares. La concentración de oxígeno y dióxido de carbono en los pulmones cambia con el proceso de respiración, el aire inhalado contiene 21% (en peso) de O2 y 0.04% de CO2 mientras que el exhalado lleva 16% de O2 y 4.5% de CO2. En la inhalación aumenta el volumen de la cavidad toráxica, por lo que la presión disminuye (ley de Boyle), por ello entra el aire externo a los pulmones, hasta que la presión del interior se iguala a la exterior; al exhalar ocurre el proceso inverso, debido a un aumento en la presión pulmonar. 64
    • Como la solubilidad del oxígeno en la sangre es pequeña, existen moléculas (hemoglobina) con las que este se enlaza químicamente y sirven de vehículo al oxígeno para transportarlo a todas las células del cuerpo. La hemoglobina oxigenada contiene átomos de hierro, por eso, este elemento no debe faltar en nuestra dieta, en 100 mL de sangre se tienen unos 15 g de hemoglobina, capaces de transportar unos 20 mL de oxígeno. El paso del oxígeno del aire alveolar a la sangre y el CO 2 en sentido inverso, ocurren gracias a una diferencia en las presiones parciales de cada uno de ellos. Alvéolos Red de capilares del alvéolo Capilares sanguíneos pulmonares. La sangre viaja por delgados capilares cuya área total de contacto con la membrana alveolar es de aproximadamente 70 metros cuadrados. Los gases de la sangre son intercambiados con los pulmonares mediante el fenómeno de difusión, la sangre fluye por estos capilares a razón de 5 litros/minuto cuando el cuerpo está en reposo y alrededor de 25 litros/minuto en periodos de ejercicio intenso. Presiones parciales del O2 y del CO2 en el alvéolo. La sangre venosa que regresa a los pulmones ha perdido oxígeno, y su presión parcial es de sólo 40 torr, como la presión parcial de O 2 en el alvéolo es mayor a 100 torr, éste pasa a la sangre, la que se convierte en sangre arterial, rica en oxígeno; por el contrario, la presión parcial de CO2 en la sangre es mayor que en el alvéolo (46 torr y 40 torr, respectivamente), así que este gas se libera hacia el pulmón. 1.2.4.2. Líquidos En forma individual lee detenidamente la siguiente lectura y elabora un mapa conceptual y preséntalo al profesor. 65
    • Propiedades generales de los líquidos. La materia líquida no tiene forma definida, pero sí un volumen determinado, en pequeñas porciones, adquiere forma de gotas. Los líquidos son incompresibles a presiones moderadas, por lo general, se expanden con el calentamiento y se contraen con el enfriamiento; sin embargo, estas manifestaciones son mucho menos notables que en los gases. Los líquidos miscibles se difunden unos en otros, pero a velocidades notablemente menores que las del estado gaseoso, existen líquidos inmiscibles, lo cual no ocurre con los gases. Cuando se eleva la temperatura y se proporciona el calor suficiente se presenta la evaporación y si la temperatura se reduce, se elimina el calor necesario y se convierten los líquidos en sólidos. En forma individual realiza la siguiente práctica en tu casa y presenta los resultados en tu cuaderno, al profesor. Práctica No. 11: “Propiedades de los líquidos”. Objetivo: Identificar y comprobar algunas propiedades del estado líquido. Material. Reactivos: 2 vasos de vidrio. 250 mL de agua limpia 1 comal de lámina agua de detergente 1 estufa de gas 100 mL alcohol etílico (CH3CH2OH). 2 mL de aceite de oliva 1 gr. de pimienta molida Teoría. La densidad del agua es de 1 g/cm 3 y la del alcohol 0.8 g/cm3, por lo tanto, las mezclas alcohol-agua que se hagan en diferentes proporciones tendrán densidades en este intervalo. 66
    • Desarrollo: 1. Llena un vaso con agua hasta un 90 % de su capacidad. 2. Esparce un poco de pimienta sobre la superficie del agua. 3. Toca el centro de la superficie del agua contenida en el vaso con la yema de un dedo y observa. 4. En otro vaso con agua disuelve de 2 a 3 gramos aproximadamente de detergente. 5. Moja tu dedo en la solución de detergente y vuelve a meterlo en el vaso que contiene la pimienta y observa lo que sucede. 6. Intenta hacer una mezcla alcohol-agua que posea aproximadamente la misma densidad del aceite de oliva. Para comprobar si lo lograste coloca una gota de aceite en la mezcla alcohol-agua y si esta flota sobre la superficie de la mezcla haz logrado la mezcla deseada. 7. Calienta el vaso sobre el comal de lámina y observa que sucede con la esfera de aceite y los cambios de densidad con la temperatura. Preguntas: 1. ¿Qué le pasa a los grumos de pimienta al introducir el dedo sin detergente?. R: 3. ¿Qué le pasa a los grumos de pimienta al introducir el dedo mojado con agua de detergente? R: 4. ¿Qué explicación se le puede dar a lo observado? R: Lee en equipo los siguientes dos artículos y elabora un resumen que se discutirá en el grupo. Lectura No. 21: “Un refrigerador... ¿produce calor?”. Tal vez, en un día caluroso, habrás dejado abierta la puerta del refrigerador, intentando refrescarte. 67
    • ¿Qué fenómenos sucederán al hacerlo? Momentáneamente, el gas frío del refrigerador se mezclará con el más caliente de la cocina y lograrás una temperatura intermedia, sin embargo, el sistema de enfriamiento se encenderá para tratar de enfriar el interior; con ello se echará a andar el motor de la compresora del refrigerador. Si la energía se conserva. ¿Adónde crees que irá a parar la energía eléctrica que alimenta al refrigerador?, ¿En qué otra forma de energía se convertirá? Un refrigerador se encarga de tomar calor de los cuerpos del interior y sacarlo hacia el aire más caliente de la cocina (por la parte posterior, donde se encuentran los tubos intercambiadores de calor), la única manera de lograr esto es convirtiendo también en calor la energía eléctrica que alimenta a la máquina. En resumen, el refrigerador transporta hacia su exterior más calor que el que toma de su interior; por lo tanto, un refrigerador abierto y en funcionamiento acaba calentando el aire de la cocina. La energía entra a la cocina a través del enchufe del refrigerador y no hay ninguna salida, por lo que la temperatura de la cocina aumenta. Proceso para abrir un refrigerador Lectura No. 22: Solubilidad de gases en agua La solubilidad de los gases tiene un comportamiento bien diferente a la de los sólidos, conforme disminuye la temperatura, la solubilidad del gas aumenta. Los peces y otros animales acuáticos requieren oxígeno disuelto en el agua para vivir, éste entra al medio tanto a través de la superficie como por ser un producto de la fotosíntesis de las plantas acuáticas, una vez en el agua, existe una fuerte competencia por su consumo entre los peces y otras especies animales y las bacterias aeróbicas, que lo utilizan también para su respiración, estas bacterias se alimentan de materia orgánica disuelta en el agua, así que cuando es abundante, las bacterias se multiplican y ejercen una gran demanda de oxígeno, con lo cual ponen en riesgo la vida de los peces; aunque los requerimientos varían para cada especie, un pez necesita para vivir 4 mg. de O2 por litro de agua, si las bacterias 68
    • hacen disminuir esta concentración, el pez muere por asfixia. Como ves, la conservación de la vida acuática exige que nosotros no vertamos inconscientemente grandes cantidades de materia orgánica en los ríos y lagos. Una solución inteligente a este problema, es tratar las aguas antes de desecharlas y la manera de disminuir el contenido de materia orgánica es, precisamente, aprovechando las bacterias aeróbicas, que al reducir el contenido de materia orgánica, el agua se desecha y las bacterias que se han reproducido pueden utilizarse como alimento unicelular para el ganado. Por otra parte, el aumento de la temperatura también hace disminuir la cantidad de oxígeno disuelto; (ver la siguiente gráfica) la trucha, por ejemplo, no puede vivir en agua que tenga una temperatura superior a 15 C y algo similar ocurre con el salmón, por esa razón debe eliminar la llamada "contaminación térmica" que producen las industrias que necesitan agua fría para sus procesos de enfriamiento y devuelven al ambiente agua caliente, un ejemplo extremo de este tipo son las plantas nucleoeléctricas. La siguiente gráfica muestra la solubilidad del oxígeno en agua a diferentes temperaturas. 16 mg de 12 O2 disueltos 8 en 100 g 4 de H2O 0 0 10 20 30 40 Temperatura C De la gráfica se puede observar que la solubilidad a 30 C es aproximadamente la mitad que a 0 C. ¿No interferirá esto con la vida acuática? Lee en equipo los siguientes dos artículos y elabora un resumen que se discutirá en el grupo. 69
    • 1.2.4.3 Propiedades generales de los sólidos Los sólidos son incompresibles y no fluyen, se difunden unos en otros a una velocidad mucho menor que los líquidos o los gases. Al aumentar la temperatura se convierten en líquidos, en algunos casos pasan directamente al estado gaseoso (sublimación). Algunos sólidos son de apariencia cristalina, mientras que otros carecen de forma regular, por lo que se les llama sólidos amorfos. 1.2.4.4 Plasma... ¿un cuarto estado de la materia? El aumento de la temperatura transforma un sólido en líquido o un líquido en gas y el calentamiento de un gas ¿no puede transformarlo en un cuarto estado de la materia?. La respuesta es: si, lo transforma en plasma. Un renombrado químico Irving Langmuir, laboraba en el Instituto Stevens cuando fue invitado a trabajar durante sus vacaciones en la compañía General Electric, encontró un grupo de investigación que buscaba la manera de prolongar la vida de las lámparas incandescentes, quince años más tarde Langmuir permanecía en esa compañía estudiando el comportamiento de los gases calientes. En la década de los 30, después de observar las extraordinarias propiedades de estos sistemas, llenos de partículas cargadas, los denominó plasmas. Cuando un gas se calienta a temperaturas cercanas a los 10 000 grados centígrados, la energía cinética de las moléculas aumenta lo suficiente para que, al vibrar y chocar, las moléculas se rompan en átomos. Y a temperaturas más altas, los electrones se separan de los átomos (ionización) y la sustancia se convierte en una mezcla de electrones e iones positivos, formando un plasma altamente ionizado. Así pues, se llama plasma a este tipo de mezcla de átomos y fragmentos de átomos, un plasma se puede describir como un gas conductor ionizado a alta temperatura, que en promedio es eléctricamente neutro. Obtener un gas muy débilmente ionizado no es difícil, se logra momentáneamente, en el fuego o en las lámparas incandescentes de vapor de mercurio, de neón o de sodio, sin embargo, se requiere una enorme cantidad de energía para producir un plasma. Los "plasmas fríos" se producen a temperaturas de 50 000 a 100 000 grados kelvin; los "plasmas calientes", (material de que están constituidas las estrellas), 70
    • se mantienen a una temperatura entre diez y cien millones de grados Kelvin. Así, aunque en la Tierra no abundan los plasmas y la aurora boreal es una manifestación terrestre de un plasma, más del 99% de la materia del universo se encuentra en este cuarto estado. Varias son las aplicaciones que se están desarrollando para los plasmas, por una parte, a esas temperaturas puede ocurrir la fusión de los núcleos atómicos, como sucede en las estrellas. El control de este proceso abriría las puertas a una fuente inagotable de energía. Los plasmas son materia con carga eléctrica y su interacción con campos magnéticos puede ayudar a generar energía eléctrica, conocida como: potencia magnetohidrodinámica. La ionosfera terrestre es un plasma frío y débil ubicado a más de 60 Km de altura, donde la ionización es producida por la radiación que llega del Sol, este plasma se mueve por la acción del campo magnético terrestre y produce el efecto de la aurora boreal. Aurora boreal En resumen los cuatro estados de la materia son: ESTADO DEFINICIÓN EJEMPLOS Sólido Rígido, tiene forma Cubo de hielo, diamante, y volumen fijos barra de hierro Líquido Tiene volumen definido pero Gasolina, agua, toma la forma del recipiente que alcohol, sangre lo contiene. Gaseoso No tiene ni volumen ni forma fija, Aire, helio, oxígeno toma la forma y volumen del recipiente que lo contiene. Plasma No tiene ni volumen ni forma fija. Aurora boreal, sol 71
    • Premisas del modelo cinético-molecular 1. Toda la materia está constituida por pequeñas partículas llamadas moléculas. 2. Las moléculas se encuentran en continuo movimiento al azar y su energía en movimiento determina la temperatura del cuerpo. 3. Las moléculas pueden interactuar entre sí con fuerzas de mayor o menor intensidad. Para los gases 4. La distancia entre moléculas es muy grande comparada con sus dimensiones, debido a ello, las fuerzas intermoleculares son despreciables. 5. Las colisiones entre moléculas y las paredes del recipiente son elásticas. Para los líquidos 6. La distancia entre moléculas es pequeña, pero éstas no ocupan posiciones definidas y existen fuerzas intermoleculares de atracción que son responsables de la estructura de los líquidos. Para los sólidos 7. Las moléculas se encuentran cercanas entre sí, las fuerzas de atracción frecuentemente originan arreglos ordenados, los movimientos moleculares están sumamente restringidos y consisten primordialmente en vibraciones alrededor de puntos fijos. 1.2.4.5 Cambios de estado Lee el siguiente texto y en equipo de 4 personas elaboren un resumen, el cual será presentado al grupo por un representante. Lectura No. 23: “Cambios de estado”. Muchas propiedades importantes de los líquidos y de los sólidos se relacionan por la facilidad con que cambian de un estado a otro. Todos hemos visto ejemplos de tales cambios: el agua que queda en un vaso durante varios días se evapora, un cubo de hielo que se deja al medio ambiente se funde rápidamente, el CO 2 sólido ("hielo seco") se sublima a la temperatura ambiente. En general, cualquier estado de la materia puede cambiar a otros estados, es decir sólido, líquido y gaseoso. 72
    • Estos cambios se llaman cambios de fase, transiciones de fase ó simplemente cambios de estado. Los cambios de estado de las sustancias puras determinan las constantes físicas como el punto de fusión y ebullición, que son específicos para cada sustancia. Cada cambio de estado, se acompaña de un cambio en la energía del sistema, cuando se cambia de un estado a otro, se debe suministrar o eliminar energía para vencer las fuerzas intermoleculares, por ejemplo: se requiere energía para fundir un sólido, las fuerzas de atracción que mantienen unidas a las partículas en posiciones fijas en el sólido se deben superar para pasar a la forma líquida. gas evaporación condensación sublimación líquido deposición fusión congelación sólido energía del sistema Del mismo modo, la evaporación requiere energía para vencer las fuerzas de atracción que mantienen a las partículas cercanas unas a otras en un líquido y de este modo formar un gas. La sublimación también requiere energía externa y en la medida que aumenta la energía de las fuerzas intermoleculares, aumenta la energía que se requiere para un cambio de estado. El proceso de fusión de un sólido también se llama licuefacción, la entalpía asociada con un sólido que se licua se denomina entalpía de fusión o calor de fusión; el calor de fusión del hielo es 6.01 KJ/mol. El calor necesario para la evaporación de un líquido se llama calor de evaporación (o entalpía de evaporación); el calor de evaporación del agua es de 40.67 KJ/mol. 73
    • Observe que el calor de fusión es más pequeño que el de evaporación, es decir, se necesita menos energía para permitir que las partículas se muevan sin alejarse a que se separen totalmente. El efecto de enfriamiento que acompaña a la evaporación, se observa cuando salimos de una alberca, a medida que el agua se evapora de nuestra piel, nuestro cuerpo elimina calor (y por lo tanto tiritamos) La evaporación del agua por medio de la transpiración es importante para conservar nuestro cuerpo fresco en los días cálidos y durante el ejercicio extenuante. El funcionamiento de un refrigerador se basa en el enfriamiento que acompaña a la evaporación, su mecanismo contiene un gas confinado (usualmente freón CCI2F2, diclorodifluorometano) que puede ser licuado cuando se aumenta la presión, el freón absorbe calor al evaporarse, enfriando el interior del refrigerador, el vapor de freón se recicla a un compresor, donde se licua nuevamente. Ya que la fusión, evaporación y sublimación, son procesos endotérmicos, los procesos inversos (congelación, condensación y deposición) son exotérmicos, esta es la razón por la que, el vapor puede causar quemaduras severas, cuando el vapor entra en contacto con la piel, se condensa y libera una cantidad considerable de calor. A continuación se presenta un diagrama global sobre los cambios de estado: Deposición Fusión Vaporización ó evaporación sólido líquido gaseoso Congelación ó Condensación ó solidificación licuefacción Sublimación 74
    • Lee el siguiente escrito y en equipo de cuatro personas elabora un resumen, el cual será presentado al grupo. 1.3.1 Concepto de energía. El término energía es bastante común, pero darle una definición exacta es un serio problema. En la secundaria se acostumbra decir que "la energía es todo aquello capaz de producir trabajo", esta definición está incompleta, pues algunas clases de energía no pueden transformarse íntegramente en trabajo que permita elevar una masa contra la fuerza de la gravedad. El calor es una forma de energía en tránsito que no puede convertirse íntegramente en trabajo y no por ello deja de ser energía. El problema de encontrar una definición simple para la energía es que ésta se presenta de muy diversas maneras, es algo así como un ente "camaleónico" o mimético que cambia frecuentemente de apariencia. Una definición operacional para la energía, es aquella en la que describimos sus diversas manifestaciones y una ley de conservación con la que postulamos que no se crea ni se destruye. De esta manera, si durante un proceso algún cuerpo "pierde" un poco de cierto tipo de energía, aceptamos también que el mismo cuerpo u otro, "gana" una cantidad equivalente de otro tipo de energía, esto es: la energía sólo fluye. Energía es: la capacidad de la materia para producir trabajo, por eso decimos que hay una relación estrecha entre la materia y la energía y no puede existir una sin la otra. La energía representa la actividad que tiende a modificar las propiedades de las sustancias, de esta manera entendemos por qué no se puede dar una definición de química sin asociar la materia con la energía. La energía puede sufrir muchas transformaciones y debido a que éstas se emplean con mucha frecuencia en química, tendremos que referirnos a ellas. 75
    • Una gran diferencia entre la vida y la muerte consiste en que: Las cosas vivas tienen más probabilidades de cambiar y las cosas muertas también, pero más lentamente; sin embargo, la naturaleza siempre comienza con el movimiento, es decir, la vida que es el ciclo del cual todos los seres vivos formamos parte, por ejemplo:  Las plantas y animales al trasladarse, huir, atrapar y construir, generan movimientos.  El hombre sin embargo hace más fácil el movimiento debido a su inteligencia. Siempre que un cuerpo se mueve realiza un trabajo y a esta capacidad se le llama energía la unidad de la energía es el joule o el ergio. Kg m2 1 joule = ; 1 joule = 1 x 107 ergios 2 s 1.3.2 Tipos de energía. La energía se manifiesta en forma de calor, electricidad y luz, por lo que se consideran como formas de energía, pero las formas que los científicos aceptan desde el punto de vista de la mecánica, son la energía cinética y la energía potencial. 1.3.2.1 Energía potencial y energía cinética. La energía potencial, es la capacidad que posee la materia para realizar un trabajo por efecto del estado o posición en que se encuentra. Ejemplo: El agua en una cascada, la gasolina en un motor, el reloj por su engranaje, un calentador de gas, etc. De acuerdo a la teoría clásica, la energía potencial: "Es aquélla que guarda una partícula debido a su posición dentro de un campo de fuerzas", dicho campo puede ser eléctrico, magnético o gravitacional, a esta energía también se le llama energía almacenada o de posición. La energía potencial gravitacional de un objeto depende de la altura a la que se encuentra con respecto a un nivel de referencia, es decir a mayor altura, mayor energía potencial; la energía potencial se puede expresar de la siguiente forma, con respecto a un campo gravitacional de fuerzas. 76
    • EP = mg h donde: EP= energía potencial (joules o ergios) m = masa del cuerpo (kg.o g) g = aceleración de la gravedad (m/s2 o cm/s2) h = distancia o diferencia de altura (m o cm) Análisis dimensional EP = (gramos)(cm/s2)(cm) = ergios EP = m g h EP = (kilogramos)(m/s2)(m) = joules Problema. ¿Cuanta energía en joules posee un cuerpo en el sistema terrestre, que se encuentra colocado a 20 metros de altura, con una masa de 1.5 Kg.?. datos: m = 1.5 Kg h = 20 m g = 9.81 m/s2 fórmula: EP = mgh Operaciones: EP = 1.5kg x 9.81 m/s2 x 20 m = 294.3 Kg m2/s2; EP = 294.3 joules Energía cinética (Ec). Es aquella que posee la materia debido a su movimiento. Así, la energía cinética, depende de la velocidad del cuerpo en cuestión, es decir, a mayor velocidad mayor energía cinética. Ec = (1/2) m v2 donde : Ec = energía cinética (joules o ergios) m = masa del cuerpo (kilogramos o gramos) v = velocidad del cuerpo (m/s, cm/s) Problema: Cuál es la energía cinética en ergios de una partícula cuya masa es de 5 g, si se mueve a una velocidad de 40 km/hora. 77
    • datos m = 5g v = 40 km/h = 4 000 000 cm/h=1111.1 cm/s fórmula: Ec = 1/2 m v2 Operaciones: Ec = (1/2)(5g) x (1111.1 cm/s)2 = (1/2)(5g)(1234543.2 cm2/s 2) = 3086358 g cm 2/s 2 Ec = 3 086 358 ergios Resumiendo: La energía potencial es la energía intrínseca almacenada en un cuerpo, cuando éste se encuentra aparentemente en reposo, con relación a otros objetos teniendo en cuenta el lugar que ocupa el cuerpo (altura) y su naturaleza química. La energía potencial, es la disponible para efectuar un trabajo en un momento dado, por ejemplo: un jet estacionado tiene energía potencial y cuando está en vuelo, tiene energía cinética, al elevarse aumenta la energía cinética, al descender y frenar, vuelve a tener energía potencial. La energía almacenada que se pone en movimiento, por ejemplo: un automóvil que se traslada, una rueda que gira, una piedra que cae y una niña que brinca tienen energía cinética. 1.3.2.2 Otros tipos de energía De las dos clases principales de energía se derivan otras clases de energía y sus transformaciones que son: mecánica calorífica eléctrica química luminosa radiante atómica etc. Toda la materia contiene energía, pero, por lo general no la podemos apreciar por medio de nuestros sentidos, sólo apreciamos sus efectos. La energía luminosa y la sonora se pueden apreciar por medio de nuestros sentidos. 78
    • Cuando movemos una máquina, quemamos una hoja de papel, ingerimos nuestros alimentos o encendemos la luz eléctrica, se produce un cambio en el medio que nos rodea y esto se debe a la fuerza de esa energía. Grafica de energías renovables: http://www.arrakis.es/~fgclobo/introduccion/menumacro.htm En la vida cotidiana podemos adquirir energía de múltiples formas, por ejemplo: Al subir una escalera, aumenta nuestra energía potencial. Un automóvil en movimiento aumenta su energía cinética. El organismo, al metabolizar los azúcares que ingerimos, almacena la energía en los tejidos en forma de enlaces fosfatos (ATP) Cuando, disfrutamos del sol, absorbemos la luz solar, lo que con un poco de descuido se quema nuestra piel. No obstante, en cualquiera de estos cuatro casos también se ha perdido energía: La que gastaron las piernas para subir la escalera, que al final de cuentas provino de los alimentos que se consumieron. La gasolina que el coche consumió al acelerar, cuya combustión fue aprovechada para elevar los pistones y hacer girar el cigüeñal del motor, pero también para calentar los gases que salen por el escape. La que se encontraba en los enlaces químicos del azúcar, los cuales se rompieron en su combustión dentro de nuestras células. La que abandonó el Sol en forma de rayos luminosos, y que provino de la fusión nuclear que ocurre en él. 1.3.3 Manifestaciones de energía. Lee la siguiente lectura y en forma individual, contesta las preguntas que a continuación se indican: 1. ¿En qué año fue sustituido el carbón por el petróleo? R: 79
    • 2. ¿En qué forma la calidad de vida aumenta el consumo de energía? R: 3. Debido a que el petróleo es una fuente de energía no renovable, ¿cuáles serán las fuentes de energía del futuro? R: El desarrollo económico de muchos países está ligado al crecimiento de su uso de energía, por seis décadas, la revolución industrial fue abastecida por el carbón, posteriormente el petróleo como energético sustituyó al carbón en 1948. El incremento de la población tres veces durante el siglo XX ha sido acompañado de un aumento 10 veces en el uso de energía en todas sus formas, conforme miramos hacia delante no hay duda que la riqueza de las sociedades y su calidad de vida estará fuertemente ligada al continuo acceso a fuentes de grandes cantidades de energía. En vista de la preocupación social acerca de la fisión nuclear como fuente de energía, la dependencia de tecnologías químicas continuará durante el resto del siglo XX. Al mismo tiempo, cualquier estimación acerca del uso futuro de la energía hace énfasis en la necesidad de conservar y desarrollar cualquier fuente de energía que esté a nuestro alcance. Esta necesidad es urgente debido a que, en primer lugar, el suministro de petróleo en el planeta es limitado y eventualmente se extinguirá, luego, nuestro deseo de proteger el ambiente producirá medidas rígidas en cuanto a nuevas tecnologías energéticas. La química y la ingeniería química jugarán papeles centrales conforme desarrollemos las siguientes fuentes de energía y analicemos las posibles alternativas que tenemos: petróleo, gas natural, biomasa, esquistos bituminosos y arenas de brea, fusión nuclear, conservación de energía, fisión nuclear, carbón, lignita, turba, energía solar. 1.3.4 Transformaciones de la energía. Lee la siguiente lectura y en equipo de cuatro personas elabora un resumen, el cual será presentado al grupo. 80
    • Lectura No. 24: “La energía se conserva”. Si aceptamos que la energía se conserva, un cuerpo puede aumentar su energía potencial, (elevarse) a expensas que otro disminuya de alguna manera su energía; por ejemplo, en la siguiente figura lo que está dentro de la caja perdió energía y la ganó la masa. polea caja negra trabajo masa Las probables alternativas que hicieron que la masa se elevara son:  dentro de la caja existe: Un motor eléctrico (energía eléctrica). Un mecanismo de resorte (energía elástica) Un animal que eleva la masa con la fuerza de sus músculos (energía química proveniente de los alimentos que consume). Un molino de viento (energía eólica). Un árbol que al crecer levanta la masa lentamente (mezcla de energías).  Si la alternativa es eléctrica La electricidad se puede obtener de una pila (energía química). De una turbina (energía de flujo) o De una celda fotoeléctrica (energía luminosa).  La energía de flujo se puede obtener de una planta hidroeléctrica (energía potencial gravitacional) o por la producción de vapor.  El vapor se puede producir por la oxidación de un combustible (energía química), por la fisión del uranio (energía nuclear) o de una fuente térmica natural (energía geotérmica) A esta lista se pueden añadir varios mecanismos que utilicen ligas, velas, agua de lluvia y mil cosas diferentes, en todos los casos harán su aparición una o más formas de energía. Esencialmente, la vida en la Tierra es posible gracias a la energía que proviene del Sol siendo aprovechada por las plantas para fabricar sus tejidos, los seres vivos necesitamos del reino vegetal para alimentarnos y convertir esta energía química de los alimentos en muchas otras variedades energéticas, como se observa en la siguiente ilustración. 81
    • energía nuclear almidón energía. radiante proteína y grasa fotosíntesis animal digestión del ser humano energía quimica energía térmica almacenada Energía para cond.imp nerviosos energía para sintetizar energía mec. biomoléculas por cont. muscular Toda la materia se transforma continuamente, el cambio es una manifestación de la naturaleza y así tenemos que la madera, el carbón y las telas arden (oxidan), el agua se evapora o solidifica, el hierro se oxida, la leche se fermenta (agria), la mantequilla se rancia, los cohetes explotan, los seres muertos se pudren. Se acostumbra clasificar el cambio en tres categorías, a pesar de que la frontera entre ellos es ciertamente difusa: 1) Cambios físicos: cuando se cambia la forma, el tamaño el estado de movimiento o el estado de agregación, la energía implicada generalmente es pequeña. 2) Cambios químicos: cuando se obtiene una nueva sustancia con propiedades distintas, la energía desprendida o absorbida es mayor que en el caso del cambio físico. 3) Cambios nucleares: cuando se modifica la constitución de un núcleo, es muy frecuente que un elemento se transforme en otro; la cantidad de energía implicada es enorme. Los cambios se llevan a cabo en una dirección determinada; por ejemplo: Al verter una cucharada de azúcar en agua ocurre la disolución, pero nunca esperaríamos que, de manera espontánea, se separara todo el azúcar de un refresco y quedara en el fondo de la botella. Al caer una piedra, toda su energía cinética se transforma en calor, que eleva ligeramente la temperatura del piso, nunca hemos observado que el calentamiento que podamos provocar debajo de una piedra, se transforme en energía para que la levante hasta cierta altura. Al abrir una botella de perfume, el aroma se escapa por toda la habitación, sin embargo, nunca ha sucedido que dicho olor cese porque las moléculas de la fragancia regresen a la botella. 82
    • Un trozo de hierro en contacto con la atmósfera termina por oxidarse, no obstante, nunca hemos visto que en forma natural un óxido dé lugar a un brillante metal y oxígeno gaseoso. En resumen. Existe una dirección preferida para los cambios, después de muchas observaciones se ha llegado a la conclusión de que sólo es factible que sucedan espontáneamente los cambios que; en sistemas cerrados, implican el paso de un estado más ordenado a otro menos ordenado. En ocasiones, las condiciones son tales que los procesos de cambio ocurren en las dos direcciones, cuando la velocidad a la que ocurren ambos cambios es la misma, hablamos de un estado de equilibrio. En ciertas condiciones, los cambios de estado físico o las reacciones químicas pueden darse en ambas direcciones, por ejemplo, si nos encontramos al nivel del mar, a 100 C y 1 atmósfera, el agua líquida y su vapor están en equilibrio; ello quiere decir que la velocidad a la cual las moléculas del líquido pasan a la fase de vapor es la misma que la de condensación del vapor en forma líquida, la tendencia en ambas direcciones es la misma y observamos agua en dos estados de agregación en equilibrio. En el punto de ebullición, el equilibrio se presenta cuando la rapidez con que ocurren la evaporación y la condensación es la misma, entonces el agua líquida y el vapor están en equilibrio en el punto de ebullición. En las reacciones químicas sucede algo similar, al inicio sólo tenemos reactivos que se convierten en productos, pero al cabo de un tiempo, nada impide que los productos formados se combinen para formar de nuevo los reactivos; de esta manera, llega un momento en que la velocidad de conversión de reactivos en productos es igual a la de la reacción inversa, entonces se presenta el equilibrio químico. Normalmente el equilibrio químico se representa mediante una doble flecha que apunta tanto a reactivos como a productos. Por ejemplo, el oxígeno diatómico y el ozono (dos formas alotrópicas del oxígeno) pueden transformarse uno en otro, según la reacción: 3O2  2O3 83
    • Como vemos, en el equilibrio las moléculas no están inmóviles, sino que se siguen produciendo cambios. Lo que sucede es que la rapidez del cambio en una dirección es igual a la del cambio en la otra y parece que nos encontramos en un punto estático, pero se trata en realidad de un equilibrio dinámico. La dirección del cambio se relaciona con los estados de agregación de la materia, un sólido es más ordenado que un líquido y éste más que un gas, por tanto, un charco de agua a 30 C tiende a evaporarse de manera natural, lo mismo que el hielo seco (CO2 sólido) se sublima a temperatura ambiente. Los procesos donde los átomos y moléculas tienden a ordenarse no son imposibles. Si deseamos provocar un cambio hacia un estado más ordenado, lo podemos observar al congelar agua (hielo), para ello se requiere un refrigerador, electricidad y el aire de la cocina. El cual se calentará un poco, con lo que se desordenará el sistema, es decir, se puede provocar un ordenamiento en una parte (hielo), a cambio de desordenar otra (aire del refrigerador) es el "precio" que se paga por ir en contra de la dirección del cambio. La vida y la evolución de las especies son procesos que tienden al orden, no cabe duda, el hombre es más complejo y organizado que una bacteria, sin embargo, la vida es un proceso que sólo puede mantenerse gracias a la alimentación y la respiración, a cambio de vivir, hemos de transformar toneladas de alimentos en desperdicios (orina y heces). Como no hay otra forma de que siga funcionando, a 36.8 C, la complicada "máquina química" que es el cuerpo humano, tiene que desordenar su entorno para mantenerse como un sistema organizado. En suma, y como un ejemplo más, si queremos obtener energía aprovechable para nuestra vida diaria hemos de ordenar una parte del Universo (para que la corriente eléctrica fluya por el cable hacia nuestra casa), pero a cambio habremos afectado y desordenado otra parte del Universo (el agua que cayó por la presa hidroeléctrica, la cual construimos afectando el ambiente ecológico del lugar donde está situada). Siempre que provoquemos orden desordenaremos algo. Conclusión: Nada es más crítico para la salud de nuestra sociedad tecnológica, a largo plazo, que el acceso continuo a fuentes de energía abundantes y limpias, conforme analizamos estas necesidades, debemos encarar las siguientes desafiantes expectativas para las próximas tres décadas: Durante las próximas tres décadas, el incremento en el uso de la energía nuclear será extremadamente restringido por las preocupaciones sociales que ya se han puesto en evidencia. El aumento de energía hidroeléctrica tiene sus límites naturales y está en conflicto con la tendencia extendida de minimizar los cambios en el ambiente. 84
    • Aun los más optimistas acerca de la fusión nuclear no la consideran una solución para producir una fracción importante de nuestra energía en los próximos años. La dependencia del petróleo crudo de alto grado de calidad y de depósitos de carbón, también de alta calidad, deberá declinar conforme las reservas del mundo vayan usándose y conforme el acceso al petróleo sea restringido por razones políticas que van más allá de nuestro control. Estas desalentadoras expectativas señalan la necesidad de incrementar las bases del conocimiento sobre las nuevas fuentes de energía que puedan ser construidas. Los sistemas químicos y electroquímicos ofrecen algunos de los más compactos y eficientes medios para almacenar energía. Podemos predecir con seguridad que, en primer lugar, entre las nuevas fuentes de energía estarán los combustibles químicos de bajo grado, como el carbón con alto contenido de azufre, los esquistos bituminosos, las arenas de brea, la turba, el lignito y la biomasa. Para ninguna de estas alternativas hay una tecnología que pueda hacer frente, con ventajas económicas, a la exigencia de evitar la contaminación ambiental, se deben enfrentar los enormes desafíos de la química, en cuanto a nuevos catalizadores, procesos, combustibles y técnicas de extracción, condiciones más eficientes de la combustión. Un mejor control de las emisiones de gases contaminantes, mediciones más sensibles en el medio ambiente y muchas otras más. La biomasa debe ser mejor utilizada para reducir la cantidad de combustible fósil que se quema y por lo tanto, ayudar a controlar el incremento del dióxido de carbono atmosférico. La energía solar debe ser ampliamente investigada y empleada, debemos desarrollar técnicas artificiales fotosintéticas y electrocatalíticas que eviten completamente la combustión al convertir la energía de la luz directamente en energía eléctrica o química, afortunadamente la química está lista para responder a estos desafíos. 1.3.5 Leyes de la conservación de la masa y la energía. 1.3.5.1 Ley de conservación de la masa. Lee la siguiente lectura y en equipo de cuatro personas elabora un resumen, el cual será presentado al grupo. 85
    • En 1785, el químico francés Antonio Laurent Lavoisier fue de los primeros que hicieron experimentos con la ayuda de una balanza, probando que la suma de las masas de todas las sustancias que intervienen en una reacción química (reactivos), es igual a la suma de las masas de todas las sustancias obtenidas de la reacción (productos). Descubrió con esto una importante ley llamada Ley de la conservación de la materia, que dice: “en toda reacción química, la masa total permanece constante antes y después de la reacción”, o lo que es lo mismo: la materia no se crea ni se destruye, sólo se transforma. Lavoisier estableció esta ley basándose en experimentos realizados en cambios químicos que se efectúan durante las combustiones. Así probó que el mercurio se combina con cierta cantidad de "aire" para formar un polvo rojo, que ahora sabemos que es el óxido de mercurio y que cuando ese polvo se somete a la acción del calor, tiene la misma masa del mercurio y del "aire" que originalmente se había consumido al producirse óxido de mercurio. Este experimento demostró que no hubo cambio de masa durante la formación y descomposición del mercurio, ahora se sabe que la sustancia componente del aire que transforma al mercurio en un polvo rojo es el oxígeno, este hecho dio lugar a que el propio Lavoisier descubriera el elemento oxígeno y le diera ese nombre. La masa del oxígeno liberado en la descomposición del óxido de mercurio es igual a la del oxígeno combinada con el mercurio al formar el óxido de mercurio: Mercurio + Oxígeno Óxido de mercurio 200.60 g + 16.00 g 216.60 g. Lee cuidadosamente la siguiente práctica antes de efectuarla. Práctica No. 12: “Ley de la conservación de la materia”. Objetivo: Demostrar la ley de la conservación de la materia y la energía. Material: Reactivos: 1 Tubo de ensayo pequeño Solución de KI al 1% 1 Matraz erlenmeyer de 250 mL Solución de Pb (NO3) 2 al 1% 1 Balanza granataria Agua 1 Tapón de hule para el matraz 20 cm. de hilo (cáñamo) Desarrollo 86
    • 1. Ata firmemente el extremo del hilo alrededor de un tubo de ensayo 2. Coloca en el tubo de ensayo solución de yoduro de potasio, hasta la mitad. 3. Coloca en un matraz erlenmeyer solución de nitrato de plomo, hasta un cuarto de la capacidad del matraz. 4. Coloca el tubo dentro del matraz, como se muestra en la siguiente figura, procurando que las sustancias no se mezclen y cubre el sistema con el tapón. 5. Pesa el sistema con cuidado y anótalo. 6. Mezcla el contenido del tubo de ensayo con el contenido del matraz. 7. Observa la formación de un precipitado amarillo de yoduro de plomo. 8. Pesa el sistema con el tapón y el hilo y anótalo. 9. Compara que los pesos son los mismos, con lo que se comprobará la ley de la conservación de la materia. Preguntas ¿Cuál es la reacción que se efectúo? R: Lee las siguientes lecturas y en equipo de cuatro personas elabora un resumen, el cual será presentado al grupo. 1.3.5.2 Ley de la conservación de la energía. En ejemplos anteriores nos hemos dado cuenta de que la energía se conserva. De esta forma un cuerpo puede adquirir energía, siempre a cambio de que él mismo u otro ente del universo la pierda. La primera propiedad de la energía es que se conserva, por esta razón, más vale colocar entre comillas "producción" de energía o "consumo" de energía, pues ni se 87
    • genera ni se pierde, lo que sí sucede es que algunas formas de energía son poco útiles o aprovechables y por eso nos lamentamos que una energía útil se transforme en otra menos aprovechable. Por lo anterior, hay que tomar con reservas frases como la siguiente: "un generador produce energía eléctrica", no debe entenderse que un generador "crea" energía de la nada, sino que convierte algún tipo dado de energía (en este caso la energía cinética del rotor interior del generador) en energía eléctrica. No es necesario que ocurra un cambio químico para que se den las transformaciones de energía, se pueden dar muchas conversiones, pero la energía involucrada en un cambio, aparece en otro al realizarse éste, es decir, la suma de todas las formas de energía se mantiene constante durante cualquier transformación, por lo que llegamos a la ley de la conservación de la energía que dice: "La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma" 1.3.5.3 Ley de la interconversión de la materia y la energía. Hasta ahora se ha considerado que la materia y la energía son dos entidades diferentes y que todo cambio en la materia, trae consigo un cambio energético, sin embargo; en 1905, el gran científico Albert Einstein afirmó que la materia y la energía son formas diferentes de una misma cosa, como consecuencia de esta teoría se estableció la transformación de la masa en energía y viceversa, de este modo, se unificaron las dos leyes, la de la conservación de la materia y la de la conservación de la energía. Esto quedó expresado en la ley de la interconversión de la materia y la energía, en la que se señala que “La materia y la energía pueden transformarse una en otra, pero la suma total de la materia y la energía del universo no puede aumentar ni disminuir” es decir, permanece constante. Para las reacciones químicas en las cuales no son muy grandes las transformaciones de la energía, todavía es válida la ley de la conservación de la materia. Las pequeñas variaciones de masa, por pérdida o ganancia de energía, no se pueden detectar ni con las balanzas más sensibles de que disponen los científicos. La equivalencia entre la masa y la energía puede expresarse con la fórmula de Albert Einstein: 88
    • E = mc2 en donde: E = es la energía absorbida o desprendida m = masa c = velocidad de la luz (300 000 kilómetros / segundo). La ecuación anterior nos demuestra que la materia y la energía son equivalentes, por ser formas de una misma entidad que es la masa. Ejemplo: Determinar la cantidad de energía que se puede obtener a partir de un gramo de materia. Datos m = 1g = 0.001 Kg. = 1 x 10-3Kg c = 300 000 Km / s = 300 000 000 m/s =3 x 108 m/s Fórmula: E = m c2 Incógnita: E Operaciones: E = (1 x 10-3Kg) x (3 x 108 m/s)2 = 9 x 10-3 x 1016 Kg m2 /s2 E = 9x1013 joules El valor obtenido es muy alto e implica una enorme cantidad de energía, lo que sucede en los cambios físicos y químicos naturales, es que la cantidad de materia que se transforma en energía es tan pequeña que no es posible detectarlos con ninguna balanza. Einstein transformó la tradición de las ciencias físicas, al establecer la relatividad de los conceptos de tiempo y espacio, la inercia y la energía, interpretando las fuerzas de gravitación en un sentido geométrico. 89