1 las reacciones químicas - aprenderescrecer.es · lidad los recursos digitales disponibles en la...

Presentación de la unidad

En esta unidad se estudian los contenidos del bloque de cambios químicos correspondiente a este curso. Sus contenidos se han es-tructurado partiendo de las evidencias macroscópicas de los cam-bios químicos y sus características y propiedades, y del conoci-miento sobre la estructura de la materia, para combinarlos en el estudio de las reacciones químicas.

Así, describimos las reacciones químicas desde el punto de vista microscópico, utilizando las conclusiones acerca de las característi-cas de las reacciones químicas de la teoría atómica y las ideas más relevantes de la TCM. Además, se incide en que en la reordena-ción de átomos que ocurre en un proceso químico, se rompen y se forman nuevas uniones entre los átomos.

Por último, se relaciona la descripción a escala microscópica con la macroscópica, introduciendo aquí la magnitud cantidad de sustancia.

Recursos y materiales

Para el tratamiento de la unidad, además del libro del alumnado, esta propuesta didáctica y el material fotocopiable, le serán de uti-lidad los recursos digitales disponibles en la web de Anaya, ma-nuales, enciclopedias y medios informáticos de consulta.

Sugerencias generales

Ideas previas y dificultades de aprendizaje

La constatación de un cambio químico, la forma de identificarlo e incluso la descripción de sus características son contenidos abor-dados en etapas previas de la formación de los estudiantes.

Por ello, es esperable que sepan identificarlos con facilidad. Sin embargo, se trata en esta unidad de ir un paso más allá, pues en ella estudiamos los cambios químicos de forma genérica, y no úni-camente en contextos determinados, como pueden ser los proce-sos metabólicos o de degradación de materiales, cuya descripción cualitativa se ha estudiado previamente.

Para conseguir el objetivo anterior recomendamos que se haga énfasis en que los contenidos de este curso podrán aplicarse a los fenómenos ya conocidos, para llevar a cabo descripciones cuanti-tativas de ellos en cursos superiores.

Tareas relacionadas

En esta unidad, como en las anteriores, recomendamos realizar el trabajo práctico recomendado en el apartado «Taller de ciencias». En este caso se trata del estudio de algunos de los factores que afectan a la velocidad de una reacción química.

Educación en valores

Debido a que esta unidad sienta las bases para el posterior estu-dio de la Química, se debe abordar teniéndolo presente, y enfati-zar en la necesidad de construir aprendizaje nuevo sobre el ya ad-quirido, fomentando de este modo la competencia en aprender a aprender.

Recomendamos promover el trabajo colaborativo, pues este influ-ye directamente en el desarrollo de las competencias sociales y cí-vicas.

1 Las reacciones químicas

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Esquema de la unidad

cumplen

en las que encontramos

que informan de la

son

en los que los

LAS REACCIONES QUÍMICAS

Cambios

moléculas

ecuaciones químicas

proporción

moléculas

moles

coeficientes estequiométricos

fórmulas químicas

de de

reactivos colisionan

productosde

y

se representan mediante

dando lugar a

orientaciónenergía

con suficiente con adecuadaentre

Ley de conservación

de masa

Ley de proporciones

sencillas

Antes de empezar ❚ La materia está formada por átomos. La teoría atómica de Dalton (1803-1808) afirma que una reacción química se puede describir como una reagrupa-ción de los átomos de unas sustancias para formar otras diferentes.

❚ Al tratarse de una reordenación de átomos, la masa de las sustancias que están presentes antes de que el cambio químico tenga lugar será la misma que la de las sustancias que se forman.

❚ En una reacción química, el número de átomos de cada elemento quí-mico diferente es el mismo antes de que tenga lugar el cambio químico y después; por tanto, no ocurre una transformación de un elemento en otro, simplemente los átomos se enlazan de forma diferente. De este hecho podemos concluir que una reacción química es un fenómeno que afecta solo a la corteza de los átomos, pero no al núcleo.

❚ Para representar un cambio químico, utilizamos una flecha que separa la situación antes del cambio y la situación después de él.

1 Los cambios en la naturaleza

2 Estudio de las reacciones químicas

3 Representación de las reacciones químicas

4 Leyes fundamentales en las reacciones químicas

5 Cantidad de sustancia y reacciones químicas

6 Las reacciones químicas en la sociedad

Qué vas a estudiar

1Las reacciones químicas¿Qué sabemos de las reacciones químicas?

Desde la antigüedad hasta nuestros días la ne-cesidad de conocer y controlar las transforma-ciones de unas sustancias en otras ha motivado el desarrollo de teorías acerca de las caracterís-ticas y composición de la materia.

Las reflexiones de Robert Boyle en su obra El químico escéptico (1661) sobre la naturaleza de los elementos químicos y las conclusiones de Antoine-Laurent Lavoisier (1743-1794) acerca de la conservación de la masa en las reacciones quí-micas hacen que estos científicos sean conside-rados los padres de la química moderna.

En el curso pasado nos centramos en la descrip-ción de la materia y su estructura. En esta uni-dad veremos cómo se producen cambios en la naturaleza de las sustancias. Estos cambios se denominan reacciones químicas.

Encontrarás una autoevaluación inicial interactiva.

En la web

Pensamos en grupoHaced grupos en clase para responder a estas cuestiones:

1 En el momento en que se fabricó la pieza de bronce de la imagen era de color amarillo y con la exposición a la atmósfera aparece una pátina de color verdoso. ¿A qué crees que es debido este cambio de color?

2 Los seres vivos pueden ser autótrofos o heterótrofos. ¿En qué se dife-rencian unos de otros? La transformación de las sustancias que ocurre durante la nutrición, ¿es un proceso físico o químico?

3 Explica en qué se diferencia el resultado de disolver una cucharada de azúcar en agua respecto del resultado de la obtención de azúcar cara-melizada. ¿Se trata de cambios físicos o químicos?

Sustanciasinorgánicas

Nutrientes

EnergíaAlimento

Nutrientes

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Sugerencias metodológicas• Los estándares de aprendizaje que corresponden a este bloque te-

mático, dedicado a los cambios, son variados. La evaluación de la consecución de algunos se puede abordar desde actividades escri-tas, como son los que se refieren a la utilización de modelos para in-terpretar las reacciones químicas (teoría de colisiones) o los relativos a la comprobación de la ley de conservación de la masa. Otros están-dares tienen un carácter empírico y experimental, como es el recono-cimiento de reacciones químicas en experimentos sencillos. Debido a esta variedad, recomendamos que las sesiones relativas a esta uni-dad combinen actividades experimentales con explicaciones y tareas escritas.

• Se ha optado por la introducción del concepto de cantidad de sustan-cia y mol en esta unidad, pues es en el contexto de una reacción quí-mica en el que la utilidad del uso de esta magnitud es claro. No obs-tante, aunque los cálculos estequiométricos requieran del uso de moles, la introducción de la cantidad de sustancia se ha dejado para el penúltimo epígrafe, y se ha utilizado la ley de las proporciones múlti-ples para introducir los cálculos de masas de reactivos y productos. Con esta forma de estructurar los contenidos se permite tener la opor-tunidad de prescindir del cálculo con moles, pero realizar cálculos es-tequiométricos sencillos a partir de la proporción de las masas de las sustancias que reaccionan.

Qué vas a estudiar• En este apartado se expone el índice de los apartados que se van a de-

sarrollar en la unidad.

• Se puede utilizar para ofrecer a los estudiantes la estructura general de los contenidos, seguida de una lectura exploratoria de la unidad, con el fin de obtener una visión global sobre ellos y la forma en la que estos están relacionados.

•Con el mismo fin, se puede mostrar el mapa conceptual ofrecido.

Antes de empezar• En este apartado mostramos algunas ideas que se han de tener presen-

tes para el estudio de la unidad. En el primer párrafo, la alusión a la teoría atómica puede servir para concienciar a los estudiantes del hecho de que mucho del nuevo aprendizaje que adquieren se sustenta en el ya adquirido y, por tanto, en la necesidad de llevar el estudio al día.

• Siguiendo con esta idea, mostramos que aquí retomaremos las leyes bá-sicas de la Química, por lo que será necesario conocerlas previamente.

• El penúltimo párrafo puede servir al docente para repasar con el grupo el modelo atómico planetario y la implicación que tiene un cambio en la corteza del átomo y la que tiene si la modificación ocurre en su núcleo.

Pensamos en grupo • Se recomienda que los agrupamientos no sean de más de tres estudian-

tes para que los tiempos de discusión no sean grandes, permitiendo así una adecuada puesta en común de conclusiones con toda la clase.

• Estas actividades, junto con la autoevaluación inicial, permitirán identifi-car los conocimientos previos del alumnado

A continuación se indican algunos comentarios sobre estas cuestiones:

1 La figura muestra el resultado del proceso de oxidación del cobre, que tiene lugar cuando este metal se combina con el oxígeno del ai-re. Podemos aprovechar la puesta en común con el grupo para incidir en qué condiciones ambientales se verá acelerada esta oxidación.

2 La nutrición autótrofa es aquella en la que la materia orgánica es sinteti-zada a partir de una fuente de carbono no orgánica, como es el dióxido de carbono, mientras que en la nutrición heterótrofa se parte de una fuente orgánica de carbono. Ambos procesos son cambios químicos, en los que desaparecen unas sustancias y aparecen otras nuevas.

3 La disolución de azúcar en agua es un proceso físico, en el que no aparecen sustancias nuevas. Sin embargo, en la caramelización del azúcar ocurren procesos de polimerización, en el que se forman sus-tancias nuevas con diferentes propiedades organolépticas.

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Los cambios en la naturalezaLos fenómenos que ocurren en la naturaleza son el resultado de diver-sos y variados cambios. Estos cambios pueden ser tan sencillos como el cambio de posición de un cuerpo o tan complejos como las transforma-ciones que sufren las sustancias en el interior de un organismo vivo.

1.1 Cambios físicos y químicosComo vimos en la unidad introductoria del libro, la física y la química se ocupan de las transformaciones que ocurren en los sistemas materiales. Se pueden diferenciar dos clases de transformaciones, o cambios, aten-diendo al siguiente criterio: la aparición de nuevas sustancias.

Si calentamos un trozo de hierro hasta que alcance su temperatura de fusión, se habrá realizado un cambio de estado sólido a líquido. En este cambio no aparecen nuevas sustancias, pues como resultado se obtiene hierro fundido.

Sin embargo, si ahora calentamos un trozo de roca caliza (carbonato de calcio), obtendremos cal viva (óxido de calcio) y se liberará cierta canti-dad de dióxido de carbono (CO2). En este caso sí se obtienen sustancias diferentes a las de partida.

En otras palabras, un cambio químico altera la naturaleza de la materia, pues aparecen y desaparecen sustancias, mientras que en un cambio fí-sico solo ocurren transformaciones en las propiedades del sistema. Los cambios químicos se denominan también reacciones químicas.

1.2 Reactivos y productos en una reacción química

Por muy compleja que sea una reacción química, siempre se puede dis-tinguir entre las sustancias presentes antes del cambio y las que se pro-ducen como resultado de este.

❚ Se denominan reactivos a las sustancias puras que se combinan entre sí, dando lugar a la reacción química.

❚ Los productos de una reacción química son las sustancias que se han formado como resultado de la combinación de los reactivos en la re-acción química.

En el ejemplo anterior, la descomposición de piedra caliza, el reactivo es la piedra caliza, y los productos son la cal viva y el dióxido de carbono. Se puede representar de este modo:

Piedra caliza 8 cal viva + dióxido de carbono

1 1.3 Características de los cambios químicos Además de la aparición de nuevas sustancias, las reacciones químicas se caracterizan por otros aspectos que conviene tener en cuenta:

❚ Mientras ocurre una reacción química existe un intercambio de ener-gía. Hay reacciones químicas que requieren de un aporte de energía para tener lugar, mientras que otras, como las combustiones, despren-den gran cantidad de energía.

❚ Reacciones reversibles e irreversibles. La mayoría de las reacciones químicas son irreversibles, es decir, una vez que la combinación de los reactivos ha dado lugar a los productos, estos no se recombinan para volver a formar los reactivos. No obstante, en algunas reacciones esto sí es posible; son las llamadas reacciones reversibles.

❚ Los estados de agregación de los reactivos y productos no tienen por qué ser iguales, es decir, en una reacción entre un sólido y un líquido se puede formar una sustancia gaseosa. Muchas de las reacciones tienen lugar en disolución acuosa, por lo que si se tiene uno de los reactivos o productos en disolución acuosa, se suele indicar, como veremos.

El estudio de las reacciones químicas no solo se aborda desde el labora-torio, sino que estos cambios se estudian en diversos contextos.

1 ¿Qué significa que en un cambio químico se altera la naturaleza de la materia? Define con tus palabras la expresión «naturaleza de la materia».

2 La disolución de azúcar en agua, ¿es un cambio físico o químico? ¿Y cuando calentamos azúcar para obte-ner caramelo? Explica tus respuestas.

3 Busca diversos ejemplos de reacciones re-versibles e irreversibles, y descríbelas.

4 Las síntesis de medicamentos son procesos de gran relevancia social. Busca información acerca de varios medicamentos de reciente creación y para qué se utilizan.

5 ¿A qué problema ambiental se refiere la tercera fotografía de esta página? ¿Qué medida se tomó para evitarlo? ¿Fue necesario un conocimiento químico de este problema?

Comprende, piensa, investiga...

Un cambio físico es aquel que no provoca la aparición de nuevas sus-tancias; sin embargo, como resultado de un cambio químico se produ-cen sustancias que no estaban presentes antes de la transformación.

Las rocas poseen en su composición uno o más minerales y ciertas im-purezas. En el caso de la roca caliza no toda ella es carbonato de calcio; ¿sería posible entonces conseguir que toda la masa de roca caliza se trans-formase en cal viva y dióxido de carbono?

Trabaja con la imagen

Obtención de cal viva

La obtención de cal viva se hace trans-formando la piedra caliza transfirién-dole energía mediante calor.

Algunas reacciones químicas cotidianas

En los organismos vivos ocurren una infinidad de reacciones químicas in-fluenciadas entre sí. Por ejemplo, el proceso de la digestión es un entra-mado de reacciones químicas.

Hay sectores de la industria química y farmacéutica cuyo principal objetivo es sintetizar productos de interés in-dustrial y social mediante reacciones químicas.

La preservación de los monumentos pasa por conocer los procesos quími-cos naturales y los factores que pueden causar modificaciones que, a medio o largo plazo, repercutan en el medio.

Sugerencias metodológicas• Comenzamos esta unidad destacando las diferencias entre cambios físi-

cos y químicos. Aunque estos contenidos ya han sido tratados en cursos y etapas previas, es ahora cuando se pide un estudio sistemático de ellos.

• La noción de cambio químico en relación con las hipótesis de la teoría atómica y la definición de sustancia elemental, como aquella que no puede descomponerse en otras diferentes, mientras que una sustancia compleja sí, pueden servir al docente como introducción a los conteni-dos de este epígrafe. Sugerimos destacar que en esta unidad no solo vamos a abordar la descomposición de compuestos en elementos, o su proceso contrario, la síntesis de compuestos a partir de elementos, sino que vamos a abordar cualquier tipo de reacción química.

• Para acercar los contenidos al alumnado podemos recurrir a la cocina, don-de tenemos procesos físicos, como la disolución de sales, la ebullición de agua, la elaboración de mahonesa y la lixiviación del café en una cafetera, y procesos químicos, como las reacciones de pardeamiento químico en los guisos, el tueste del pan, la elaboración de caramelo, las reacciones en los marinados, etcétera. Podemos resaltar que, aunque no siempre es fácil dis-tinguir un cambio físico de uno químico, un análisis de las sustancias que están presentes antes y después del cambio nos dará siempre la respuesta.

• En este epígrafe mostramos la forma de escribir una reacción química. Podemos aprovecharlo para incidir en que, si estudiamos una reacción desde el punto de vista cuantitativo, es necesario escribir correctamen-te las fórmulas químicas, como se verá más adelante.

• Respecto de las características de las reacciones químicas, sugerimos co-mo ejemplo complementario de reacciones que requieren energía los procesos anabólicos, y para las que desprenden energía, los catabólicos.

• Respecto de las reacciones reversibles, y aunque estrictamente no lo sea, se puede mencionar la destrucción y regeneración de la capa de ozono, pues desde un punto de vista global, se trata de un proceso reversible.

•Con las imágenes de la página de la derecha se pretende destacar la necesidad del dominio de la química para abordar con éxito otras disci-plinas, como las ciencias de la salud o las medioambientales.

Soluciones


• Si toda la masa de piedra caliza no es carbonato de calcio, no reaccio-nará toda su masa; por tanto, la suma de las masas de cal viva y de dió-xido de carbono obtenidos no serán igual a la masa de la piedra caliza, solo a la masa de carbonato de calcio que contenga.

Comprende, piensa, investiga…

1 Significa que en un cambio químico cambian las sustancias que com-ponen el sistema que reacciona. La naturaleza de la materia se refiere en este caso a las sustancias que forman la materia que reacciona.

2 La disolución de azúcar en agua es un cambio físico, en el que no aparecen sustancias nuevas, mientras que en la obtención de cara-melo aparecen, dando nuevo color y sabor, es decir, cambian sus propiedades.

3 Reversibles: las reacciones de recargado en las pilas recarga-bles, la combinación de agua y dióxido de carbono para dar ácido carbónico y la combinación de hidrógeno y nitrógeno para dar amo-niaco. Irreversibles:cualquier reacción de precipitación, las combus-tiones o la reacción entre hidróxido de sodio y ácido clorhídrico.

4 Se puede orientar la respuesta hacia los nuevos medicamen-tos para el tratamiento de la hepatitis C.

5 La fotografía muestra el deterioro de la piedra caliza de la que están formados los monumentos, por la degradación química que provocan algunos contaminantes atmosféricos, como los gases de azufre, SOx, y de nitrógeno, NOx, además del CO2. Existen fuentes naturales de todos estos gases, pero también son producidos por las actividades industriales y por el uso de combustibles fósiles. Para pre-venir el problema se han ido reduciendo las emisiones de los gases de azufre y nitrógeno, y en algunos lugares se ha limitado la circula-ción de vehículos en las zonas monumentales.

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Estudio de las reacciones químicas22.1 Teoría de colisiones de las reacciones químicasUna de las teorías que permite explicar cómo y por qué se producen las reacciones químicas es la teoría de colisiones. Para comprender esta teoría partimos de tres ideas fundamentales:

❚ Las partículas que componen la materia, según la TCM (que estudia-mos el curso pasado), no se encuentran en reposo, sino que están en continuo movimiento. Como resultado de ese movimiento existen cho-ques entre las partículas.

❚ Una reacción química se puede describir como una reordenación de átomos. Los átomos que estaban unidos formando los reactivos se re-agrupan de forma diferente y dan lugar a nuevas sustancias, los pro-ductos.

❚ Para conseguir esta reagrupación, es necesario que se rompan los en-laces atómicos de los reactivos y se formen enlaces nuevos, uniendo diferentes átomos.

2.2 Velocidad de una reacción químicaEl tiempo que transcurre desde que se ponen en contacto los reactivos de una reacción hasta que se obtienen los productos resulta fundamental para clasificar las reacciones. Hay reacciones de una extremada lentitud, y otras con una rapidez tal que las hace explosivas.

El control de la velocidad a la que transcurre una reacción química re-sulta fundamental para algunas aplicaciones de la química, como las in-dustriales. Uno de los objetivos de la industria química y sus derivadas es el de poder acelerar reacciones de las que se obtengan productos de interés para la sociedad.

También resulta interesante este control de la velocidad de reacción para poder ralentizar algunas de ellas; por ejemplo, las de descomposición de alimentos.

2.3 Factores que influyen en la velocidadde una reacción químicaHay muchos factores que afectan a la velocidad de una reacción química.

Por ejemplo, reacciona más deprisa un reactivo sólido si se encuentra finamente dividido (en forma de polvo o de cristales pequeños) que si se trata de un trozo grande (por ejemplo, un tronco de madera).

De entre todos estos factores, destacamos aquí dos de los más impor-tantes: la temperatura y la concentración de los reactivos.

■ Temperatura

En general, un aumento de la temperatura origina que la reacción transcu-rra con mayor rapidez. La teoría cinético-molecular nos da una explicación del papel que desempeña la temperatura en la velocidad de reacción:

■ Concentración de los reactivos

La concentración de una sustancia es la relación entre la cantidad de esta y el volumen en el que se encuentra. Cuanto mayor sea la concentración, más cantidad de la sustancia habrá por unidad de volumen.

Según la teoría de colisiones, una reacción química ocurre porque las moléculas de los reactivos chocan entre sí con la suficiente energía como para que se rompan los enlaces que mantienen unidos a los átomos en los reactivos.

La velocidad de una reacción química se cuantifica observando cómo aumenta la cantidad de los productos en un determinado intervalo de tiempo.

De forma alternativa a medir cómo cambia la cantidad de productos con el tiempo, ¿crees que se podría me-dir la velocidad de reacción de otra manera?

Otras formas de cuantificar la velocidad

Al aumentar la temperatura, se incrementa la energía de las molécu-las (o átomos) con lo que los choques entre ellas serán más intensos, favoreciéndose así la ruptura de los enlaces en las moléculas de los reactivos.

A mayor número de moléculas, choques más probables

Si la concentración de los reactivos es muy baja, el número de choques será menor. La velocidad de la reacción química será, por tanto, baja.

Por el contrario, al aumentar la concentración de los reacti-vos, aumenta el número de choques y con ello la velocidad de la reacción química.

6 ¿Todos los choques que se producen entre las mo-léculas de reactivos hacen que estas se rompan? ¿De qué factores crees que depende que un choque sea efectivo?

7 Realiza un esquema con las ideas que con-sideres necesarias para comprender la teoría de las colisiones. Recuerda incluir las ideas de la TCM que ya conoces, así como de la teoría atómica de Dalton.

8 ¿Crees que la velocidad de las reacciones entre sus-tancias gaseosas depende de la presión a la que se encuentran? Justifica tu respuesta.

9 Explica en qué situación ocurrirá con mayor rapidez la reacción de combustión. Razona tu respuesta:

a) Se queman astillas de madera.

b) Se quema un tronco de madera.

10 Explica, utilizando la TCM, por qué normalmente la temperatura hace que aumente la velocidad de una reacción química.

11 Busca información sobre los catalizadores. ¿Para qué se utilizan este tipo de sustancias?


Comenta con tus compañeros la res-puesta a la siguiente pregunta: ¿Cuál es la razón de que los alimentos pe-recederos se almacenen a bajas tem-peraturas?


La teoría de colisiones

Las moléculas estánen continuo movimiento.

Se produce una colisióncon energía su�ciente.

Se forman nuevos enlaces,originando nuevas sustancias.

FOTOfq3e_05_frigorifico

Sugerencias metodológicas• Tradicionalmente, se han considerado los cálculos estequiométricos co-

mo la parte fundamental del estudio de las reacciones químicas. Sin em-bargo, para llegar a ellos es preciso pasar por una etapa previa de com-prensión de los fenómenos que ocurren en una reacción química a escala microscópica.

• Una de las dificultades que se pueden dar en el estudio de la teoría de colisiones deriva del hecho de que los estudiantes no se hayan planteado hasta ahora en qué condiciones se da la ruptura y formación de enlaces en una reacción química. Destacar que solo en determinadas condiciones y entre ciertos reactivos tiene lugar una reacción química puede servir co-mo introducción al tema. Además, puede surgir como idea errónea una visión aditiva de las reacciones químicas, es decir, que se considere que las moléculas de los reactivos se unen para dar lugar a otras mayores.

• Para comprender la teoría de colisiones de las reacciones químicas es ne-cesario introducir el carácter estocástico y dinámico de las reacciones quí-micas, en su escala microscópica de descripción. Es conveniente introdu-cir, aunque sea de forma sutil, este comportamiento no determinista, en el que no todos los choques dan como resultado la formación de las mo-léculas de productos, y no todas las moléculas de reactivos poseen el mismo valor de energía, sino que están distribuidas en torno a un valor medio. Aunque la conexión entre la descripción de cada elemento de forma individual y la descripción del colectivo se antoje lejana, considera-mos conveniente intentar mostrar esta relación a nuestro alumnado.

•Una vez hecho el análisis de las reacciones químicas a partir de la teoría de las colisiones, con las consideraciones destacadas, deducir los facto-res que afectan a la velocidad de reacción es sencillo.

•A modo de ampliación, sugerimos al docente introducir el concepto de catalizador y realizar la actividad 11.

• Por otro lado, la respuesta a la pregunta sobre la cuantificación de la velocidad puede dar pie a mencionar el concepto de reactivo limitante. Además, se puede mencionar la medida de algunas propiedades físicas como indicación de la velocidad de una reacción química.

Soluciones


•Al disminuir la temperatura se ralentizan los procesos químicos de de-gradación de alimentos.


6 No; para que un choque sea efectivo, ha de implicar la ener-gía suficiente, y debe tener una orientación adecuada.

7 El esquema debe relacionar los conceptos siguientes: la ma-teria está formada por átomos; diferentes elementos químicos tienen átomos diferentes; los compuestos químicos están formados por áto-mos de diferentes elementos; las partículas que componen la materia están en continuo movimiento, chocando entre sí; una reacción quí-mica se produce cuando los choques entre moléculas de reactivos tie-nen la energía y orientación adecuada para que los átomos se enla-cen de forma diferente, dando lugar a nuevas sustancias.

8 Al aumentar la presión, sin aumentar el volumen, de un gas, la tempe-ratura aumenta, pues las partículas se moverán más deprisa; así, au-menta el número de choques que son efectivos y, por tanto, la veloci-dad de la reacción química.

9 La opción correcta es la a), puesto que el área superficial de las astillas es mayor que la del tronco.

10 Al aumentar la temperatura, aumenta la energía cinética de las molé-culas y, con ello, el número de choques efectivos y, por tanto, la velo-cidad de la reacción química.

11 Un catalizador es una sustancia que acelera las reacciones quí-micas. Los catalizadores son sustancias que actúan de forma específi-ca sobre la energía de activación de las moléculas de reactivos, reba-jándola, de modo que con menores valores de energía tengan lugar choques efectivos que den como resultado la formación de enlaces de las moléculas de los productos. Los catalizadores no se consumen en la reacción química, sino que se recuperan al final de ella.

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Representación de las reacciones químicasSi ponemos en contacto una disolución acuosa de yoduro de potasio, KI, con otra de nitrato de plomo, Pb(NO3)2 (ambas trasparentes), se produce un cambio químico cuyo resultado es la aparición de dos nuevas sustan-cias: el yoduro de plomo, PbI2 (color amarillo), y el nitrato de potasio, KNO3.

El párrafo anterior describe una reacción química, pero resulta poco práctico. Para simplificar la descripción de una reacción química se utili-zan ecuaciones químicas.

3.1 Ecuaciones químicasUna ecuación química contiene información sobre las sustancias que re-accionan y las que se forman como resultado de la reacción química que representa. Esta información no es solo cualitativa, sino también cuanti-tativa, es decir, da información sobre las cantidades que reaccionan.

Una ecuación química consta de:

❚ Dos miembros conectados por una flecha que indica el sentido en que se produce la reacción. A la izquierda de la flecha aparecen las fórmu-las químicas de los reactivos, y a la derecha, las de los productos.

❚ Unos números colocados delante de la fórmula química de cada sus-tancia, que se denominan coeficientes estequiométricos, y que nos in-dican el número de moléculas o la cantidad de sustancia (lo veremos más adelante) de cada sustancia que interviene en la reacción; si este número es igual a uno, no se escribe.

❚ Información sobre el estado de agregación de las sustancias; para ello se utilizan unas abreviaturas que van entre paréntesis detrás de cada fórmula química: sólido (s), líquido (l ), gas (g), en disolución acuosa (aq). Esta información no se da en todas las ocasiones.

3

Escribimos ecuaciones químicas

El cambio químico que se muestra en la imagen de la derecha es el descrito al inicio de la página.

Para escribir la ecuación química se siguen estos pasos:

1 Identificamos reactivos y productos y los representamos por sus fórmulas químicas:

eactivosR roductosPKl Pb(NO )3 2+ 8 OKNPbl 32 +

2 Añadimos el estado de agregación:

KI (aq) + Pb(NO3)2 (aq) 8 PbI2 (s) + KNO3 (aq)

3 Escribimos los coeficientes estequiométricos ajustando la ecuación, como veremos en el siguiente apartado:

2 KI (aq) + Pb(NO3)2 (aq) 8 PbI2 (s) + 2 KNO3 (aq)

oeficientes estequi métricosoC

3.2 Significado de una ecuación químicaAl leer una ecuación química tenemos información acerca de:

❚ Las sustancias puras (reactivos y productos) que participan en la re-acción química, representadas por sus respectivas fórmulas químicas.

❚ Las cantidades de cada una de esas sustancias, indicadas por los coe-ficientes estequiométricos.

Para comprender el significado de una ecuación química, tomaremos como ejemplo la formación de amoniaco, NH3, de acuerdo con la siguien-te ecuación química:

N2 + 3 H2 8 2 NH3

Podemos representar la reacción anterior mediante esta imagen:

y concluir que:

A partir de esta información conocemos:

❚ El número de unidades fundamentales (átomos o moléculas) de cada reactivo y producto que interviene en la reacción.

❚ El número de átomos de cada elemento presente en la reacción química.

Como puedes observar, el número de átomos de cada elemento químico no varía antes y después de la reacción química. Este hecho es en el que nos basaremos para elegir adecuadamente los coeficientes estequiométricos.

Con ayuda de tus compañeros identi-fica en qué lugar de la imagen se en-cuentran las sustancias químicas que toman parte en la reacción.


Una ecuación química es la representación simbólica de una reacción química en términos de fórmulas químicas.

Una molécula de nitrógeno, N2, reacciona con tres moléculas de hidró-geno, H2, y se obtienen dos moléculas de amoniaco, NH3.

Una reacción química es una reordenación de los átomos de los ele-mentos químicos que formaban los reactivos, de modo que se unan de forma diferente para dar lugar a los productos; por ello, el número de átomos de cada elemento químico es el mismo en reactivos y productos.

12 Escribe la ecuación química que representa el si-guiente proceso: Cuatro moléculas de amoniaco se combinan con cinco de dioxígeno para formar cuatro de monóxido de nitrógeno y seis de agua.

13 Escribe la ecuación química de la reacción entre hi-drógeno (H2) y oxígeno (O2) para formar agua (H2O):

a) ¿Serías capaz de indicar el valor de los coefi-cientes estequiométricos?

b) Haz una representación que permita compren-der esta reacción.

c) ¿Cuáles son los reactivos y los productos?

14 La reacción entre sodio (Na) en estado sólido y una disolución acuosa de ácido sulfúrico (H2SO4), provoca que se desprenda gas hidrógeno (H2) ob-teniéndose, además, sulfato de sodio (Na2SO4) en disolución acuosa:

a) Escribe la ecuación química de la reacción, indi-cando los estados de agregación de las sustancias.

b) Indica cuáles son los reactivos y cuáles los pro-ductos.

c) Indica los átomos de cada elemento químico presentes a ambos lados de la ecuación química.


+

Sugerencias metodológicas•Continuando con el estudio de las reacciones químicas, presentamos

aquí su representación simbólica: las ecuaciones químicas.

• Comenzamos con una descripción de los términos y simbología de las ecuaciones, para continuar con la interpretación cuantitativa de una ecua-ción química a nivel microscópico. La siguiente doble página de este epí-grafe se dedica, en su totalidad, al ajuste de reacciones químicas.

• Las dificultades esperables en esta parte de la unidad pueden estar re-lacionadas tanto con la comprensión de los contenidos como con la rea-lización de los procedimientos implicados. Por ello, sugerimos comen-zar destacando que el proceso dinámico que ocurre durante una reacción química se representa de una forma secuencial en la ecuación química, separando la situación inicial de la final mediante una flecha.

• Es destacable que algunos estudiantes relacionan de forma equivocada las ecuaciones químicas con ecuaciones algebraicas, asumiendo que los estados inicial y final del proceso químico corresponden a los dos miem-bros de una ecuación algebraica.

• Por ello, hemos separado las etapas que hay que seguir para escribir una ecuación química (obviando su ajuste). Podemos utilizar el esquema in-cluido para escribir otras ecuaciones químicas, como la reacción del alu-minio sólido con una disolución acuosa de ácido clorhídrico para formar el cloruro de aluminio sólido con desprendimiento de hidrógeno gaseoso.

•Una vez que hayamos practicado con este esquema realizaremos la eta-pa inversa, esto es, leer una ecuación química y analizar la información que contiene; para ello se pueden utilizar los ejemplos de ajuste de re-acciones químicas que se ofrecen en las fichas de atención a la diversi-dad del material fotocopiable.

• Es necesario, en esta etapa del estudio de las reacciones químicas, que los estudiantes dominen la formulación y nomenclatura de los com-puestos químicos. Por ello, recomendamos que se realicen previamente las actividades propuestas en el anexo de formulación, si no se hubieran abordado todavía.

• El significado de las ecuaciones químicas a escala microscópica y su re-presentación en esquemas moleculares de bolas facilita la comprensión de la información cuantitativa de las reacciones químicas y, por tanto, ayuda en el desarrollo de los procedimientos necesarios para su ajuste.

• Sugerimos trabajar este tipo de representación con ejemplos y con las actividades propuestas en estas páginas y al final de la unidad.

Soluciones


• Se trata con esta actividad de relacionar la escritura secuencial de una reacción química con la ubicación espacial de reactivos y productos.

•Al igual que ocurre con la interpretación de los gráficos espacio-tiempo de un movimiento, se tiende a trabajar solo con las herramientas de re-presentación de los fenómenos, y obviar, o en el mejor de los casos, no prestar la atención necesaria, a los fenómenos que estos gráficos o ecuaciones representan.

• Esta abstracción de fenómenos en herramientas gráficas y matemáticas es necesaria para un procesamiento rápido y eficiente de la informa-ción, pero consideramos que es adecuado, sobre todo en estas prime-ras etapas del estudio de la Química, destacar la relación entre la repre-sentación y el fenómeno representado (en este caso una reacción de precipitación), para evitar que el aprendizaje se limite al trabajo sistemá-tico y rutinario con un código (en este caso, la ecuación química) sin re-flexionar acerca del fenómeno que este código representa.

• En la imagen, los reactivos (KI y Pb(NO3)2) se encuentran por separado en los dos vasos de precipitados; cuando se ponen en contacto, al ver-ter el contenido de uno de ellos en el otro, se produce la reacción, dan-do lugar a un precipitado amarillo (PbI2) y nitrato de potasio, KNO3.


12 a 14 La resolución de estas actividades se ofrece en el solucionario.

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3.3 Ajuste de ecuaciones químicas

Como acabamos de ver, el número de átomos de cada elemento químico no se modifica cuando ocurre la reacción química; es decir, no aparecen elementos nuevos o se destruyen, sino que se reordenan para formar nuevas sustancias.

Es muy importante tener en cuenta que al ajustar una reacción química solo podemos modificar los coeficientes estequiométricos (la cantidad de sustancia o las moléculas de las sustancias), y no los subíndices de las fórmulas químicas, pues si hiciéramos esto último estaríamos cambiando las sustancias que intervienen en la reacción.

■ Método para ajustar una reacción química

Vamos a utilizar un método por tanteo que se denomina ensayo-error. Iremos probando diferentes valores de los coeficientes estequiométricos hasta que la ecuación quede ajustada. Para ello, tendremos en cuenta que:

Ajustar una ecuación química consiste en indicar los valores de los coeficientes estequiométricos para que haya el mismo número de átomos de cada elemento antes y después de que ocurra la reacción.

Se elige en primer lugar el coeficiente estequiométrico de los com-puestos (sustancias formadas por más de un elemento), y después se ajustan los coeficientes de las sustancias elementales.

H2 + O2 H2O

Agua Agua oxigenada

H2 + O2 H2O2

Son sustancias distintas;por tanto, se trata de reaccionesquímicas diferentes.

Ejemplo de reacciones químicas diferentes

Combustión del metano

Si hacemos una representación microscópica de la reacción del ejemplo, pode-mos comprobar fácilmente que está ajustada.

15 Razona sobre la veracidad o falsedad de la siguiente frase, utilizando un ejemplo:

«En una reacción química, el número de moléculas de los reactivos es igual al número de moléculas de los productos en todas las ocasiones».

16 Un estudiante ajusta esta ecuación química:

NO + O2 8 NO2

de la siguiente forma:

NO + O2 8 NO3

¿Es correcto lo que ha hecho? ¿Por qué?

17 Ajusta las siguientes ecuaciones químicas:

a) Al + O2 8 Al2O3.

b) NH3 + H2SO4 8 (NH4)2SO4.

c) SO2 + O2 8 SO3.

d) Fe2O3 + H2 8 Fe + H2O.

18 Explica si son correctas las ecuaciones químicas si-guientes:

2 C3H8 + 10 O2 8 6 CO2 + 8 H2O

4 C3H8 + 20 O2 8 12 CO2 + 16 H2O


1 El amoniaco (NH3) reacciona con el oxígeno (O2) para dar monóxido de nitrógeno (NO) y agua (H2O). Escribe y ajusta la ecuación química por tanteo.

1 La ecuación química sin ajustar es:

NH3 + O2 8 NO + H2O

2 El oxígeno, como es una sustancia elemental, lo ajustaremos en último lugar. El nitrógeno ya está ajustado, puesto que hay un átomo de ni-trógeno en los reactivos y uno en los productos.

3 Para ajustar el hidrógeno nos fijamos en el nú- mero de átomos en los reactivos, 3, y en los productos, 2. Deberemos poner un 2 delante de NH3 (2 · 3 = 6) y un 3 delante de H2O (3 · 2 = 6).

2 NH3 + O2 8 NO + 3 H2O

4 Al hacer esto, el nitrógeno ha dejado de estar ajustado, ya que ahora hay 2 átomos en los re-activos y 1 en los productos. Lo ajustamos po-niendo un 2 delante de NO:

2 NH3 + O2 8 2 NO + 3 H2O

5 Ya tenemos ajustado el N y el H, por lo que solo queda por ajustar el O. Tenemos 2 átomos de O en las dos moléculas de NO y 3 en las tres mo-léculas de agua; en total, 5 átomos de O en los productos. Para tener este número en los reacti-vos, tendríamos que poner un 5/2 delante de O2 :

2 NH3 + 25 O2 8 2 NO + 3 H2O

6 Como no es posible tener media molécula de O2, multiplicamos por 2 todos los coeficientes, de modo que todos sean números enteros:

4 NH3 + 5 O2 8 4 NO + 6 H2O

7 Comprobamos que tenemos el mismo número de átomos en los reactivos y los productos:

Ejercicio resuelto

Elemento Reactivos Productos

N 4 ∙ 1 = 4 4 ∙ 1 = 4

H 4 ∙ 3 = 12 6 ∙ 2 = 12

O 5 ∙ 2 = 10 4 ∙ 1 + 6 ∙ 1 = 101 Escribimos las fórmulas de reactivos y productos y contamos el número de átomos de cada elemento a ambos lados de la flecha.

CH4 + O2 8 CO2 + H2O

1 átomo de C4 átomos de H2 átomos de O

1 átomo de C 2 átomos de H3 átomos de O

2 Elegimos el coeficiente de un compuesto que no modifique demasiado al resto de elementos.

Colocamos un 2 en H2O para ajustar los H:

CH4 + O2 8 CO2 + 2 H2O

3 Elegimos el coeficiente de las sustancias elementales. Colocamos un 2 en O2 para ajustar los O:

CH4 + 2 O2 8 CO2 + 2 H2O

4 Comprobamos que el número de átomos de cada elemento es el mismo en los reactivos y en los productos.

Reactivos Elemento Productos

1 ∙ 1 = 1 C 1 ∙ 1 = 1

1 ∙ 4 = 4 H 2 ∙ 2 = 4

2 ∙ 2 = 4 O 1 ∙ 2 + 2 ∙ 1 = 4

Ejemplo de ajuste de una ecuación química: la combustión del metano

+ +

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O

+ +

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O

+ +

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O

Sugerencias metodológicas• El procedimiento de ajuste de reacciones químicas es una pieza funda-

mental en el aprendizaje de la Química, pues es necesaria para relacio-nar cuantitativamente las cantidades de reactivos y de productos.

•De entre las dificultades que pueden surgir en este contexto destaca-mos dos. Por una parte, la creencia de que se deben cumplir falsas leyes de conservación del número de moléculas, o unidades fundamentales, de reactivos y productos. Esta dificultad está relacionada de forma di-recta con una relación errónea entre ecuación química y ecuación alge-braica. Para superar esta dificultad se recomienda la actividad 15.

• Además, algunos estudiantes pueden no distinguir entre coeficientes es-tequiométricos y subíndices, lo que manifiesta que se establecen cone-xiones erróneas entre el lenguaje simbólico de la Química y el significa-do de microscópico, tanto de la fórmula de un compuesto, como de la propia reacción química. Por ello, se ha destacado en el ejemplo de «re-acciones químicas diferentes» esta confusión y se ha propuesto la activi-dad 16, de modo que se anticipa un error común entre el alumnado.

• Teniendo en cuenta las consideraciones anteriores, recomendamos rea-lizar, las veces que fuera necesario, una reiteración de los contenidos ya vistos, acerca del significado de las fórmulas químicas y la interpretación microscópica de las reacciones.

• El ajuste de las reacciones químicas se puede abordar planteando un sistema de ecuaciones lineales sencillo, pero no se ha elegido esta op-ción, sino un ajuste por tanteo por las razones siguientes:

– Entrenamos el cálculo mental.

– Favorecemos que nuestros estudiantes interioricen las fórmulas de los compuestos químicos de uso más habitual.

– Mantenemos presente la ecuación química en todo momento, de mo-do que no se pierda la perspectiva de lo que se está haciendo.

– Favorecemos la relación entre la información a escala atómica y ma-croscópica.

• Para asegurar el éxito en la adquisición de un procedimiento, es reco-mendable comenzar por el caso más sencillo posible. En el ajuste de ecuaciones químicas la mayor o menor complejidad reside en el núme-ro de elementos químicos diferentes implicados. Así, sugerimos utilizar, como ejemplo previo, la síntesis de amoniaco, ya estudiada.

• Podemos continuar con la combustión de un hidrocarburo sencillo y siste-matizar su ajuste, como hemos propuesto.

• Por último, podemos mostrar ejemplos en los que intervengan agrupa-ciones de átomos, como son los iones sulfato o carbonato, de modo que el alumnado aprenda a identificar estos grupos de átomos en la formula-ción de sales, facilitándole así el ajuste de reacciones de sustitución.

Soluciones


15 Esta afirmación es falsa. En una reacción química, la ley de con-servación que se cumple, además de la de conservación de la masa, es que el número de átomos de cada elemento químico presente es igual en los reactivos y en los productos de la reacción, pues una reacción química se puede describir como una reordenación de átomos.

16 El ajuste que se ha realizado es erróneo, puesto que se modifican las sustancias que intervienen en la reacción química, ya que el óxido de nitrógeno que se forma es otro. El ajuste adecuado sería: dos molécu-las de NO se combinan con una de O2 para dar dos moléculas de NO2.

17 La resolución de esta actividad se ofrece en el solucionario.

18 En ambos casos se cumple que el número de átomos de cada ele-mento en reactivos y productos es el mismo. No obstante, los coefi-cientes estequiométricos no son los menores posibles, puesto que en ambos casos existe un divisor común, que es el dos para la primera reacción y el cuatro para la segunda. Habría que dividir los coeficien-tes de cada reacción entre el correspondiente divisor común.

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Leyes fundamentales en las reacciones químicasComo vimos el curso pasado, cuando tiene lugar una reacción química se cumplen las leyes fundamentales de las reacciones químicas.

4.1 Conservación de la masa

Para una reacción química del tipo:

a A + b B 8 c C + d D

donde las letras mayúsculas son las sustancias químicas y las minúsculas sus correspondientes coeficientes estequiométricos, tenemos:

mA + mB = mC + mD

A partir de esta evidencia, es posible calcular la masa de un reactivo o de un producto de una reacción química si se conocen las masas del resto de sustancias que intervienen en la reacción.

4.2 Proporciones definidasVimos en la unidad anterior que al reaccionar dos elementos químicos para formar un compuesto, la proporción de las masas de los elementos es constante. Este hecho no solo ocurre en las reacciones de formación de compuestos químicos, sino que se puede extender a todas las reacciones químicas.

La proporción de las masas de reactivos y productos en una reacción química se conoce como proporción estequiométrica.

4

La ley de conservación de la masa indica que no se puede crear o des-truir materia en una reacción química. Es decir, la suma de las masas de los reactivos es igual a la suma de las masas de los productos.

En una reacción química, la proporción de las masas de las sustancias que reaccionan, reactivos y productos, es fija, independientemente de las cantidades que reaccionen.

Reacción química y proporciones entre masas

Si se aplica la ley de la conservación de masa a la primera situación de la ima-gen se podría concluir erróneamente que se formarán 20 g de CuS. Es nece-sario conocer la proporción en la que reaccionan, en este caso, el azufre y el cobre. En la primera situación sobrarán 4,96 g de azufre, que no reaccionará.

10 g de Cu 10 g de S 20 g de CuS

10 g de Cu 5,04 g de S 15,04 g de CuS

Calcula la proporción estequiométri-ca entre el cobre y el azufre, mCu /mS

y entre el azufre y el sulfuro de cobre mS /mCuS.


Datos de masas de reactivos y productos en algunas reacciones químicas

19 Calcula la masa de amoniaco que se puede obtener si reaccionan completamente 7,878 g de hidróge-no. Utilizando la ley de la conservación de la masa, calcula la cantidad de nitrógeno necesaria en la re-acción.

Solución: 44,304 g NH3 y 36,426 g de N2.

20 Se pretende hacer reaccionar 531,75 g de cloro (Cl2) con 300 g de hierro:

a) ¿Están estas cantidades en proporción este-quiométrica?

b) Calcula la cantidad de hierro que reaccionará.

c) Calcula la cantidad de FeCl3 que se forma.

Solución: b) mFe = 279,25 g de Fe. c) mFeCl3

= 811 g de FeCl3.

21 Tanto el metano (CH4) como el butano (C4H10) son gases cuya combustión se utiliza en sistemas de calefacción:

a) Calcula la masa de dióxido de carbono que se produce en la combustión de un gramo de cada uno de estos combustibles.

b) Extrae alguna conclusión acerca de la sustitu-ción que se está haciendo de la bombona de butano por gas natural (metano).

Solución: 2,74 y 3,03 g de CO2 para el metano y el butano, respectivamente.

22 Verifica que se cumpla la ley de la conservación de la masa en las reacciones químicas cuyos datos se muestran en las tablas de esta página.


2 Al descomponerse 150 g de carbonato de calcio se obtienen 84 g de óxido de calcio y se forma cierta cantidad de dióxido de carbono:

a) ¿Qué masa de dióxido de carbono se desprende?

b) Si se descompusieran 75 g de piedra caliza, ¿qué masa de cal viva se obtendría?

Aplicando la ley de conservación de la masa:

m m mCaCO CaO CO3 2= +

Por tanto:g g gm m m 150 84 66– –CO CaCO CaO2 3

= = =

La proporción entre la masa de caliza y la de cal es constante; así, se cumple:

gg g

mm

m84150 75

CaO

CaCO

CaO

3 = =l

Despejando, la masa de cal viva resulta:

mCaO =l g42

Ejercicio resuelto

Masa de reactivos (g) Masa de productos (g)

H2 N2 NH3

6,06 g 28,02 g 34,08 g


Cl2 Fe FeCl3

212,7 g 111,7 g 324,4 g


CH4 O2 H2O CO2

16,05 g 64,00 g 36,04 g 44,01 g


C4H10 O2 H2O CO2

116,28 g 416,00 g 180,20 g 352,08 g

8H N NH3 22 2 3+

8Cl Fe FeCl3 2 22 3+

8CH O H O CO2 2 24 2 2 ++

82 C H O H O CO13 10 8 24 10 2 2 ++

+ 8

+ 8

Sugerencias metodológicas• En este cuarto epígrafe de la unidad se presenta una forma de calcular las

masas de las sustancias que intervienen en una reacción química basada en las leyes de conservación de masa y de las proporciones múltiples.

• La conexión entre la descripción de una reacción a escala microscópica y macroscópica pasa necesariamente por la constatación de que los átomos de cada elemento tienen masa diferente y, por tanto, las unida-des fundamentales de las distintas sustancias también. Esto obliga a in-troducir el concepto de cantidad de sustancia como magnitud, y de igual modo su unidad, el mol.

•No obstante, existe la posibilidad intermedia de utilizar la ley de las pro-porciones múltiples para realizar cálculos de masas de reactivos y pro-ductos.

• En este texto se ha optado por mostrar esta etapa intermedia por varios motivos. Por una parte, muchos currículos de Química recomiendan que no se introduzca en este nivel el concepto de mol y, sin embargo, obli-gan a que se realicen cálculos estequiométricos sencillos. La forma de realizarlos, sin recurrir a la magnitud cantidad de sustancia, es la aplica-ción de la ley de las proporciones múltiples, conociendo las proporcio-nes entre masas de reactivos y de productos.

• Por otra parte, consideramos que en el aprendizaje de las ciencias no solo es importante aprender ciencia, sino también aprender a hacer ciencia y sobre la ciencia. Por ello, no nos limitamos a exponer cómo se realizan estudios cuantitativos sobre las reacciones químicas en la actua-lidad, sino que mostramos cómo se realizaban en los albores de esta disciplina, aplicando las leyes básicas de la Química.

• En este enfoque se ha tenido presente a lo largo de la exposición de los distintos modelos atómicos, y se ha partido de las leyes fundamentales de la Química como evidencia experimental que llevó al desarrollo de la teoría atómica. Conocidos estos hechos por nuestros estudiantes, con-sideramos conveniente retomar estas evidencias en la unidad dedicada a las reacciones químicas, para así repetir el esquema seguido hasta

ahora: evidencia experimental y modelo, destacándose, de este modo, la aplicación de la teoría atómica, y el conocimiento sobre el átomo, en el estudio cuantitativo de las reacciones químicas.

•No obstante, y debido al diseño modular de los epígrafes finales de es-ta unidad, el docente puede elegir entre el esquema propuesto (epígra-fe 4 y a continuación epígrafe 5), limitar los contenidos de esta unidad a los que obliga el currículo de forma estricta (solo epígrafe 4 y obviar el epígrafe 5), o bien optar por no dar relevancia a la forma en la que evo-lucionó el cálculo de sustancias en las reacciones químicas, y pasar di-rectamente al epígrafe 5. Si se elige esta última opción, tenga en cuenta que la ley de la conservación de masa se utilizará solo para verificar que se han realizado correctamente los cálculos estequiométricos.

• Para poder realizar los cálculos de las masas de reactivos y de productos de una reacción química sin utilizar la cantidad de sustancia, es necesa-rio conocer la proporción de las masas de las sustancias que reaccionan y se forman. Por ello, las actividades propuestas en este epígrafe se limi-tan a las reacciones químicas cuya proporción de masas se muestra en el cuadro de la página derecha.

•Aunque los cálculos necesarios para abordar estas actividades son sen-cillos, pues se trata únicamente de proporciones, sumas y restas, reco-mendamos que se haga énfasis en la necesidad de elaborar una estrate-gia de resolución de problemas. En las actividades de este epígrafe la estrategia de resolución de problemas será sencilla, e incluso prescindi-ble para algunos estudiantes, pero consideramos que trabajando de es-te modo se sientan las bases para abordar problemas de mayor comple-jidad, como los que se verán en el siguiente epígrafe, o en cursos posteriores.

Soluciones



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Como el tamaño de los átomos y de las moléculas es tan pequeño, por poca cantidad de sustancia que tomemos su número será muy elevado. La unidad de cantidad de sustancia deberá corresponder a un número grande de unidades.

Como vimos, la masa de un átomo de carbono-12 es aproximadamente 12 u. A partir de la equivalencia entre la unidad de masa atómica y el ki-logramo, se puede calcular el número de átomos de carbono-12 que hay en una muestra de 0,012 kg de este isótopo del carbono (figura inferior).

La cantidad de sustancia da cuenta del número de unidades (átomos, moléculas o iones) que contiene una determinada porción de una sus-tancia, independientemente de la masa de estas unidades.

La unidad de cantidad de sustancia es el mol, que se define como la cantidad de sustancia que contiene tantas unidades fundamentales como átomos de carbono hay en una muestra de 0,012 kg de carbono-12.

5.2 La masa molarEl mol es una unidad basada en el número de partículas. Sin embargo, nosotros solemos trabajar con otra magnitud: la masa. Por eso, es nece-sario establecer una relación entre masa y cantidad de sustancia, lo que hacemos con una nueva magnitud: la masa molar.

La masa molar de una sustancia se calcula muy fácilmente, ya que su valor numérico coincide con el que tiene la masa atómica o la masa molecular, o la masa de la unidad fórmula.

Por ejemplo, la masa molecular del dióxido de nitrógeno, NO2, es 46 u; por tanto, su masa molar será de 46 g/mol.

La masa molar de una sustancia, M, es la masa, expresada en gramos, de 1 mol de dicha sustancia. Por tanto, su unidad es el g/mol.

En 1 mol de C2H6Ohay 2 mol de C

En 1 mol de C2H6Ohay 6 mol de H

En 1 mol de C2H6Ohay 1 mol de O

24 g de C

6 g de H

16 g de O

3,613 · 1024 átomos de H

6,022 · 1023 átomos de O

1,204 · 1024 átomos de C

1 mol de C2H6O 46 g de C2H6O 6,022 · 1023 moléculas

Multiplicandopor M (g/mol)

Multiplicandopor NA

Masa, cantidad de sustancia y número de unidades fundamentales

A partir de la fórmula de un compuesto, en este caso, eta-nol, C2H6O, y de las masas atómicas de los elementos que lo componen (mC = 12 u, mH = 1 u y mO = 16 u) podemos calcular la masa y el número de átomos de cada elemento y la masa y el número de moléculas del compuesto.

Con los datos de masa atómicas se obtienen las correspon-dientes masas molares de los elementos (MC = 12 g/mol, MH = 1 g/mol, MO = 16 g/mol) y del compuesto:

MC2H6O = 2 · 12 + 6 · 1 + 16 · 1 = 46 g/mol

26 Calcula la cantidad de sustancia presente en 350 g de las siguientes sustancias:a) Cloruro de potasio, KCl.b) Hierro.c) Sacarosa, C12H22O11.d) Ozono, O3.

Solución: a) 4,69 mol. b) 6,27 mol. c) 1,02 mol. d) 7,29 mol.

27 Calcula los átomos de hierro y de oxígeno de los apartados b) y d) de la actividad anterior.Solución: 3,777 ∙ 1024 átomos de hierro y 4,391 ∙ 1024

átomos de oxígeno.

28 ¿Qué tiene más masa, 5 mol de etanol, C2H6O, o 2,5 mol de dioxígeno, O2? ¿En cuál de los dos hay mayor número de átomos de oxígeno?

29 Calcula el número de átomos y de moléculas que hay en las siguientes muestras:a) 18 g de agua.b) 88 g de dióxido de carbono.c) 81 g de aluminio.

Solución: a) 1,807 · 1024 átomos en total y 6,022 · 1023 moléculas de agua. b) 3,613 · 1024 átomos en total y 1,204 · 1024 moléculas de dióxi-do de carbono. c) 1,807 · 1024 átomos.


Amedeo Avogadro

El número de Avogadro recibe su nom-bre en honor a este químico y físico ita-liano (1776-1856), pero no fue determi-nado por él, sino por J. Perrin en 1909, y R. Millikan en 1911, entre otros. Dicho número permite calcular las unidades que hay en un mol de sustancia.

Cantidad de sustancia y reacciones químicas5Las reacciones químicas ocurren átomo a átomo, y como hemos visto, a escala macroscópica esto se traduce en que las masas de las sustancias, reactivos y productos, no son cualesquiera, sino que guardan una propor-ción determinada. Por tanto, es necesario establecer una relación entre la masa de una sustancia y el número de moléculas o átomos que contiene.

Dicho de otro modo, necesitamos «contar» el número de moléculas (o átomos) que hay en una determinada masa de una sustancia. Para ello se define una nueva magnitud: la cantidad de sustancia.

5.1 Cantidad de sustancia y su unidad: el mol

El mol y el número de Avogadro

En esta imagen puedes observar la masa que corresponde a 1 mol de di-ferentes sustancias.

Busca información acerca de la apor-tación de Avogadro a la química.

Trabaja con la imagenEn 0,012 kg de carbono-12 hay 6,022 · 1023 átomos de carbono. Este número se denomina número de Avogadro, NA.

23 Calcula cuántos electrones hay en 1 mol de electrones. Investiga sobre la determinación del número de Avogadro en el experimento de Millikan.

24 Indaga en Internet una estimación del nú-mero de habitantes de la Tierra; ¿a cuántos «mo-les» corresponden?

25 Calcula cuántos átomos hay en 0,012 kg de carbono. Utiliza para ello la siguiente información:

1 u = 1,66 · 10–27 kg ; mC = 12 u

Extrae alguna conclusión del resultado obtenido.

Solución: 6,022 · 1023 átomos.


NaCl

Cu Al

26,98 g63,54 g58,44 g

Verifica, para la imagen de la página anterior, que la masa que correspon-de a cada una de las sustancias que aparecen es la que se indica en los rótulos que las acompañan.


Sugerencias metodológicas• Introducimos aquí por primera vez el concepto de mol como unidad de

cantidad de sustancia, magnitud que relaciona la interpretación de una reacción química a escalas microscópica y macroscópica.

• Para ello, es necesario dominar el concepto de cantidad de sustancia, el valor del número de unidades que engloba un mol (la constante de Avogadro) y tener en cuenta que el mismo número de moles de diferen-tes sustancias corresponde a distintos valores de masa, es decir, se ha de saber calcular masas molares.

• Por ello, dedicamos la primera doble página de este epígrafe a la canti-dad de materia, el mol, al número de Avogadro y a las masas molares.

• El mol presenta dificultades intrínsecas para su comprensión. Por una parte, es la unidad de una magnitud (cantidad de sustancia) que los es-tudiantes tienden a confundir con la masa, dada su tendencia a cuantifi-car la cantidad de materia utilizando la masa (o el volumen para el caso de líquidos y sólidos). Además, la magnitud del número de Avogadro hace que sea necesario utilizar la notación científica lo que, unido a su propio valor, supone una dificultad adicional.

• Sugerimos comparar la definición de mol con la de unidad de masa ató-mica, para indicar que ahora se trata de comparar el número de unida-des, en este caso átomos, con la masa que representan, pues se refiere a 0,012 kg de un isótopo del carbono.

•A continuación daremos otra definición de mol, en función del número de Avogadro. Como se ha comentado, el valor de esta constante resulta muy poco intuitivo y es difícil asumir la cantidad que representa. Para dotar de significado a esta constante se pueden utilizar ejemplos sobre su magnitud: el valor de la población mundial multiplicado por diez mil.

• Por último, en esta doble página introducimos el concepto de masa molar. Una vez comprendido el significado del mol, resulta relativamente sencillo concluir que moles de distintas sustancias tendrán diferente masa.

• Es conveniente revisar el concepto de masa atómica promedio para llegar, a partir de ella, a la masa molar de un elemento químico y de una sustancia.

•Como contenido de ampliación pueden utilizarse los datos del recuadro de la página de la derecha para establecer la composición centesimal de la sustancia del ejemplo, y verificar que esa proporción no se corres-ponde con los subíndices de la fórmula química, como evidencia de que la masa de las mismas unidades elementales de distintos elementos químicos son diferentes.

Soluciones

Trabaja con la imagen (página de la izquierda)

• Esta actividad se ha planteado porque a menudo se atribuye el descu-briendo del valor de la constante al propio Avogadro. Se puede encon-trar información sobre la aportación de Avogadro en: http://www.junta-deandalucia.es/averroes/recursos_informaticos/andared02/leyes_gases/bio_avogadro.html.

Trabaja con la imagen (página de la derecha)

• Se trata de calcular la masa molar, masa de un mol, de las sustancias de la imagen. Para verificar los valores partimos de las masas atómicas prome-dio de los elementos presentes: Na, 22,99 u; Cl, 35,45 u, por lo que la masa de la unidad fórmula de NaCl será 58,44 u, y de ahí tenemos que la masa molar es de 58,44 g/mol y, por tanto, el valor de masa para un mol de NaCl es de 58,44 g. Procediendo de una forma análoga se obtiene la masa mo-lar de las sustancias elementales cobre y aluminio presentes en la imagen.


23 Un mol de electrones contiene 6,022 · 1023 electrones. La deter-minación del número de Avogadro en el experimento de Millikan se llevó a cabo una vez conocida la carga eléctrica del electrón, que era el principal objetivo de dicho experimento. Millikan simplemente dividió la constante de un Faraday (la carga eléctrica de un mol, conocida por mediciones en experimentos de electrolisis) entre la carga de un elec-trón, obteniendo así el número de electrones de un mol de electrones.


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1 Identificamos los reactivos y los productos. Reactivos: amoniaco y oxígeno.

Productos: óxido nítrico y agua.

2 Escribimos la ecuación química sin ajustar.NH3 + O2 8 NO + H2O

3 Ajustamos la ecuación química. 4 NH3 + 5 O2 8 2 NO + 6 H2O

4 De todas las sustancias puras que participan en la reacción química, destacamos dos; una será aquella de la cual tenga-mos datos numéricos, la otra, aquella de la cual el problema pida datos.

❚ El amoniaco, sustancia «dato».

❚ El agua, sustancia «incógnita».

5 Escribimos en forma de proporción molar qué nos indica la ecuación química respecto a las cantidades de amoniaco y agua que intervienen en la reacción.

8mol H Omol NH

mol H Omol NH

64

32

2

3

2

3

6 Calculamos las masas de NH3 y de H2O correspondientes a las cantidades de estas sustancias que aparecen en la propor-ción molar anterior mediante las respectivas masas molares.

M (NH3) = 17,0 g/mol 8 m (2 mol NH3) = 34,0 g

M (H2O) = 18,0 g/mol 8 m (3 mol H2O) = 54,0 g

7 Sustituimos la anterior relación molar por la proporción de las masas que hemos obtenido. 8

mol H Omol NH

, g de H O, g de NH

32

54 034 0

2

3

2

3

8 Establecemos una proporción directa con los datos de nues-tro ejercicio. , g de H O

, g de NH g de NH; , g de H Om

m54 034 0 60

95 32

3 3

2= =

5.3 Reacciones químicas y cantidad de sustanciaAl realizar cálculos relativos a reacciones químicas, generalmente nos in-teresa conocer las masas de los productos que intervienen en la reacción a partir del dato de la masa de uno de los reactivos. Para ello, como ya hemos visto, necesitaremos relacionar la masa con la cantidad de sustancia de cada uno de los reactivos y de los productos, lo que conseguiremos utili-zando la masa molar de todas las sustancias que intervienen en la reacción.

■ Cálculos estequiométricos en unidades de masa

Para calcular la masa de un reactivo o de un producto presente en una reacción química, necesitamos conocer la masa de otro de ellos y la re-acción química ajustada.

En el siguiente ejemplo se muestran las etapas que hay que seguir para llevar a cabo este tipo de cálculos:

■ Ley de conservación de la masa y cálculos estequiométricos

Una forma de comprobar que se han hecho de forma correcta los cálcu-los estequiométricos es verificar que se cumple la ley de conservación de masa.

Para ello debemos calcular las masas de los reactivos y los productos de la reacción química, siguiendo el esquema anterior.

Los cálculos de las masas de las sustancias que intervienen en una reacción, junto con otro tipo de cálculos, se consideran cálculos este-quiométricos.

El amoniaco, NH3, reacciona con el oxígeno, O2, para dar óxido nítrico, NO, y agua. Cálculo de la masa de agua que se podrá obtener a partir de 60 g de amoniaco.

3 Comprueba que se cumple la ley de conservación de la masa en la reacción de la página anterior.

1 Partimos de la reacción química ajustada:

4 NH3 + 5 O2 8 4 NO + 6 H2O

2 Calculamos las masas molares de los reactivos y productos a partir de las masas molares de los elementos:

MN = 14 g/mol ; MH = 1 g/mol ; MO = 16 g/mol

MNH3 = 1 ∙ 14 + 3 ∙ 1 = 17 g/mol

MO2 = 2 ∙ 16 = 32 g/mol

MNO = 1 ∙ 14 + 1 ∙ 16 = 30 g/mol

MH2O = 2 ∙ 1 + 16 = 18 g/mol

3 Calculamos las masas que corresponden a la cantidad de sustancia de cada sustancia pre-sente en la reacción química ajustada:

4 molNH3 ∙ 17

molg

= 68 g de NH3

5 molNH3 ∙ 32

molg

= 160 g de O2

4 molNH3 ∙ 30

molg

= 120 g de NO

6 molNH3 ∙ 18

molg

= 108 g de H2O

4 Por último, verificamos que se cumple la ley de la conservación de la masa.

68 g + 160 g = 228 g = 120 g + 108 g

Ejercicio resuelto

30 El cloro, Cl2, se puede obtener en el labo-ratorio a partir de la siguiente reacción sin ajustar:

HCl + MnO2 8 MnCl2 + H2O + Cl2

Calcula la masa de dióxido de manganeso, MnO2, necesaria para obtener 5 g de cloro.

Solución: m = 6,13 g de MnO2.

31 En la actividad anterior, calcula la masa de cloruro de manganeso (II), MnCl2, que se formará.

Solución: m = 8,87 g de MnCl2.

32 El butano, C4H10, es un combustible de uso domés-tico habitual que se comercializa en bombonas de 12,5 kg. En la combustión del butano, se produce dióxido de carbono y agua. Calcula la masa de dió-xido de carbono que se desprende en la combus-tión del butano que contienen 100 bombonas de butano.

Solución: m = 3 784,83 kg de CO2.

33 A partir del resultado del ejercicio anterior, razona si el butano es un combustible que contri-buye al efecto invernadero anómalo.

34 Dada la siguiente ecuación química, sin ajustar:

N2 (g) + H2 (g) 8 NH3 (g)

Razona la veracidad o la falsedad de las siguientes afirmaciones:

a) 1 g de N2 reacciona con 3 g de H2.

b) 1 mol de N2 reacciona con 1 mol de H2.

c) 1 mol de N2 necesita tres veces más cantidad (en moles) de H2.

d) 28 g de N2 reaccionan con 2 g de H2 y, en esa relación en masa, se forman 50 g de NH3.

35 El dicloro reacciona con hierro para formar tricloru-ro de hierro. Esta reacción química se ha utilizado como ejemplo en el epígrafe anterior:

a) Escribe su ecuación química ajustada.

b) Comprueba los datos de masas que se dan en la tabla del epígrafe anterior. Para ello parte de tres moles de dicloro y calcula la masa de cada sustancia.

c) Comprueba tus resultados del apartado ante-rior verificando que se cumple la ley de conser-vación de la masa.


Sugerencias metodológicas• En esta segunda doble página del epígrafe se muestran fundamental-

mente los procedimientos necesarios para llevar a cabo cálculos este-quiométricos.

•Como ya se ha comentado, esta parte del estudio de la Química es, en cierta medida, un pilar fundamental, pues hacia la capacidad de prede-cir las cantidades de reactivos y productos se dirige una parte muy rele-vante de los contenidos de esta disciplina. Además, la estequiometría tiene múltiples aplicaciones, como son la química analítica cuantitativa y la síntesis de sustancias, entre otras.

• Como ya se ha expuesto, el uso de la cantidad de sustancia permite el paso de la interpretación microscópica de la reacción química a su inter-pretación macroscópica. Para poner esta evidencia de relieve, sugerimos comenzar con la interpretación microscópica de la reacción química del recuadro, invitando al grupo a verbalizar dicha descripción. A continua-ción, podemos preguntar al grupo cuántas moléculas de oxígeno serían necesarias para que reaccionaran, en vez de cuatro moléculas de amonia-co, como nos da la interpretación microscópica, cuatro moles de amonia-co. Con esta actividad, en primer lugar, hacemos la transición de la escala microscópica a la escala macroscópica, y, en segundo lugar, se nos brinda la oportunidad de destacar que no ha de cumplirse una falsa ley de con-servación de cantidad de materia, pues con el ejemplo tenemos nueve moles en los reactivos y ocho en los productos.

•Una vez introducida la actividad anterior, sugerimos recorrer el esquema de la página izquierda etapa a etapa, según se indica en el texto, te-niendo siempre presente que buscamos una proporción entre la masa de agua (sustancia problema, o incógnita) y la masa de amoniaco (sus-tancia dato). A partir de esta proporción podemos calcular la cantidad de agua que se obtiene a partir de cualquier cantidad de amoniaco. Para reforzar esta idea, una vez terminado el problema preguntamos al grupo por la cantidad de agua que se obtiene cuando reaccionan com-pletamente 120 g de amoniaco.

• Sugerimos completar el problema calculando el resto de masas de los reaccionantes, con un objetivo doble: por una parte resaltamos que a partir de la cantidad de un reactivo podemos calcular la cantidad de otro reactivo, y además obtenemos los datos suficientes para compro-bar la ley de conservación de la masa y validar así nuestros resultados. Para ello, recomendamos realizar el ejercicio resuelto.

•Consideramos importante incidir en que el estudiante debe elaborar su propia estrategia de solución del problema, para evitar el uso de «rece-tas» que impiden una adecuada reflexión sobre lo que se está haciendo, y con el objetivo de desarrollar la capacidad de resolución de proble-mas, pilar fundamental de las competencias científica y matemática.

Soluciones


30 a 32 La resolución de ambas actividades se ofrece en el solucionario.

33 Como se ha expuesto, en la combustión del butano, por cada mol del combustible se generan cuatro moles de dióxido de carbono. Este gas contribuye al efecto invernadero, que se considera anómalo si se da en una extensión tal que provoque un calentamiento progre-sivo de nuestro planeta, no limitándose al mantenimiento de la tem-peratura media adecuada para la vida. La elevada concentración de gases de efecto invernadero provoca el efecto anómalo mencionado. Por tanto, concluimos que la combustión del butano contribuye a ese efecto invernadero anómalo, en tanto en cuanto no se trata de una generación natural de dióxido de carbono.

34 Una vez ajustada la reacción química podemos concluir que las afir-maciones del enunciado son: a) Falsa, pues la proporción de masas no corresponde a las que reaccionan, correspondientes a dos moles de nitrógeno y tres de hidrógeno. b) Falsa; reaccionan dos moles de nitrógeno por cada tres de nitrógeno. c) Verdadera. d) Falsa; 28 g de nitrógeno reaccionan con 6 g de hidrógeno y dan 34 g de amoniaco.


45

46

1UNIDAD

47

Las reacciones químicas en la sociedadEl modo de vida de la sociedad se ha transformado en el último siglo gracias a los avances tecnológicos que, entre otras cosas, permiten utili-zar las reacciones químicas en procesos industriales para transformar las materias primas en productos de consumo.

La industria química es muy diversa; destacamos aquí tres de sus ramas más relevantes.

■ La industria petroquímica y los polímeros

La materia prima de esta industria es el petróleo. Cerca del 87 % del pe-tróleo obtenido se destina a combustibles. El petróleo no es renovable, por lo que es probable que esta materia prima, necesaria para la fabri-cación de otros productos, como los plásticos, los disolventes, los deter-gentes, etc., se vaya agotando y deba ser sustituida en un futuro.

Dentro de la industria petroquímica destaca la industria de los polímeros, que son parte imprescindible de nuestra vida cotidiana; botellas, alfom-bras, mangueras, tuberías, juguetes, fibras textiles y un larguísimo etcéte-ra son materiales constituidos por distintos tipos de polímeros:

■ La industria farmacéutica

La obtención de medicamentos ha sido una de las mayores contribu-ciones de la química a la sociedad. Primero se diseñan y sintetizan en el laboratorio y, posteriormente, se producen a gran escala en plantas industriales para su posterior distribución y comercialización.

■Problemas ambientales y reacciones químicas

El desarrollo de la química ha permitido al ser humano obtener mejores materiales o fuentes de energía más eficientes. Sin embargo, en algunas reacciones químicas se producen sustancias no deseadas que están con-taminando de forma muy seria nuestro medio ambiente.

6

Son materias primas aquellos materiales naturales que se utilizan para obtener otros nuevos materiales o productos elaborados.

Un polímero es una macromolécula formada por la unión de muchas unidades sencillas que se repiten y que se llaman monómeros.

Monómero

Polímero

36 Los polímeros sintéticos están formados por macromoléculas. ¿Conoces otro tipo de ma-cromoléculas que no se hayan sintetizado en un laboratorio? Pon algún ejemplo.

37 Antes de comercializar un medicamento, los laboratorios farmacéuticos realizan numerosos ensayos con animales y personas. ¿A qué crees que es debido? ¿Qué opinas al respecto?

38 ¿Qué medidas se toman en las grandes ciu-dades para disminuir la niebla fotoquímica o «smog»?

39 En pequeños grupos, debatid el hecho de que la industria farmacéutica imponga precios di-ferentes a los distintos países y niegue el acceso a medicamentos a aquellos que no pueden pagarlos.

40 Elabora un informe sobre los grandes proble-mas ambientales que afectan al planeta de forma global.

Indica cuáles de ellos se encuentran actualmente en vías de solución y cuáles estimas que serán ob-jeto de investigación y aporte de soluciones en las próximas décadas.


Algunos problemas ambientales relevantes

Niebla fotoquímica

Como resultado de la quema de combustible en motores y calderas, se generan una serie de sustancias gaseosas, como los óxidos de nitrógeno (NOx), que reaccionan entre sí y con otros componentes formando la denominada niebla fotoquímica, que está causando graves problemas ambien-tales en grandes ciudades. La reducción de las emisiones contaminantes resulta crucial, pues, además de tratarse de un problema ambiental, afecta negativamente a la salud de muchas personas.

La reducción de la capa de ozono

En las capas altas de la atmósfera, entre los 25 y 35 km de altitud, se encuentra un gas, el ozono, O3, que absorbe la mayor parte de la radiación ultravioleta (UV) que nos llega del espacio exterior. Esta radiación provoca en los seres hu-manos graves afecciones.

Pero algunos gases, como los CFC (clorofluorocarbonos) presentes en muchos sprays y sistemas de refrigeración, provocan la destrucción del ozono, lo que ha producido el fenómeno conocido como agujero de la capa de ozono.

El efecto invernadero anómalo

La atmósfera de la Tierra retiene parte de la energía que el suelo emite al haber sido calentado por la luz solar y deja pasar el resto. Este fenómeno, conocido como efecto inver-nadero, mantiene la temperatura de nuestro planeta dentro de unos límites aceptables para la vida.

El aumento de dióxido de carbono, CO2, en la atmósfera, debido al uso de los combustibles fósiles, está produciendo un aumento de la cantidad de calor retenido. Este es el efec-to invernadero anómalo, y es la causa del calentamiento global, cuyas consecuencias pueden ser catastróficas.

Lluvia ácida

La lluvia ácida se origina cuando gases procedentes de emisiones de óxidos de azufre (SO2) y óxidos de nitrógeno (NOx) reaccionan con el vapor de agua atmosférico forman-do ácidos corrosivos, como el ácido sulfúrico (H2SO4) y el ní-trico (HNO3). Cuando este agua precipita en forma de lluvia, denominada lluvia ácida, causa:

❚ Acidificación de bosques, ríos y lagos, que afecta nociva-mente a la flora y la fauna que vive en ellos.

❚ Destrucción de fachadas y esculturas.

Acumulación de plásticos en los océanos

El uso de los polímeros sintéticos, y en concreto de los plás-ticos, se ha extendido de forma muy acusada en los últimos 50 años. La mayoría de los productos que adquirimos, ade-más de llevarlos en su composición, también los presentan en sus embalajes. La vida de estos productos es limitada, pero el material del que están hechos difícilmente es de-gradado de forma natural. Como resultado, muchos de ellos están llegando a los océanos, donde se acumulan y perjudi-can a los organismos oceánicos.

Hay muchos tipos de polímeros dife-rentes. En la fabricación de los polí-meros sintéticos se utilizan reaccio-nes de polimerización, cuyo resultado es la unión química de monómeros.

Busca en Internet cuál es el monóme-ro que aparece en la imagen y el tipo de polímero que se forma con él.


Sugerencias metodológicas• Terminamos esta unidad dedicada a las reacciones químicas haciendo

una exposición de algunos aspectos de la relación entre los procesos químicos y la sociedad, en el marco de las relaciones ciencia, tecnolo-gía, sociedad y medioambiente.

•De entre todas las posibilidades que la relación entre la química y la so-ciedad permite, se han seleccionado tres: la industria petroquímica y la fabricación de polímeros, la industria farmacéutica y el conocimiento de algunos problemas medioambientales.

•El uso del petróleo y sus derivados como combustible es bien conoci-do por los estudiantes en este nivel de tercero de ESO, mientras que sus aplicaciones como materia prima no lo son tanto. Hemos querido destacar esta utilización del petróleo para, entre otros motivos, desta-car la necesidad de buscar fuentes de energía alternativas a los com-bustibles, ya que además de que la combustión de derivados del pe-tróleo incide directamente en el efecto invernadero anómalo, el uso de otras fuentes de energía permitiría disponer de esta materia prima durante más tiempo.

•No obstante, se ha pretendido no presentar los polímeros que se sinte-tizan a partir del petróleo solo desde un aspecto positivo, sino también como un problema ambiental a largo plazo, como se muestra en la pá-gina derecha. Con esta exposición se pretende crear en el alumnado una conciencia de consumo responsable, enmarcada dentro del desa-rrollo sostenible.

• Los otros problemas ambientales, seleccionados en el recuadro, deri-van, en gran medida, del estilo de vida urbano y la aglomeración de la población en torno a las grandes ciudades.

• Recomendamos que se presente la lluvia ácida como un problema am-biental de consecuencias no locales, que ya ha sido superado en gran medida con la eliminación de las emisiones de azufre, resultado de la desulfuración de combustibles.

• Por último, nos referimos en estas sugerencias a la industria farmacéutica. Sugerimos no presentar este sector industrial haciendo una valoración so-bre el beneficio social, o desde el punto de vista contrario, sobre la explo-tación de patentes, sino más bien proponiendo los hechos de forma neu-tra y aludiendo a la capacidad de crítica de nuestros estudiantes. Con ello, se contribuirá a la adquisición de la competencia social y cívica.

Soluciones


• El monómero es el etileno, C2H4, y el polímero, el polietileno, (C2H4)n ; este se usa, por ejemplo, en las bolsas de supermercado.


36 Se pueden citar como macromoléculas las macromoléculas biológicas, como son las proteínas, o los ácidos nucleicos.

37 El objetivo principal de los ensayos clínicos es probar la eficacia de los nuevos medicamentos, así como los posibles efectos secundarios. Para hacer que las opiniones de los estudiantes estén basadas en la re-flexión, sugerimos destacar que normalmente los ensayos clínicos se rea-lizan con voluntarios, pero en la historia de la innovación farmacéutica ha habido sospechas de ensayos encubiertos en países poco desarrollados.

38 De entre las medidas que se toman para disminuir la incidencia de niebla fotoquímica podemos destacar: la limitación del tráfico roda-do, la renovación de sistemas de calefacción por otros menos contami-nantes, y la obligación de instalar, en las edificaciones nuevas, sistemas de calefacción basados en el aprovechamiento de la energía solar.

39 Se recomienda realizar una búsqueda previa de información para que las opiniones a debatir estén bien documentadas. Sugerimos la lectura de este artículo de la agencia SINC (FECYT) http://www.agenciasinc.es/Opinion/El-caso-Glivec-paradigma-del-debate-sobre-las-patentes-farmaceuticas-en-paises-en-vias-de-desarrollo.

40 Respuesta abierta.

46

Las ideas clave

Taller de ciencias

49

HCl (aq)

Al (s)

H2 (g)

Agua

Los cambios físicos y químicos1. En la naturaleza existen dos tipos de cambios:

físicos y químicos; estos últimos se caracteri-zan por la aparición de nuevas sustancias, que no estaban antes del cambio.

2. Las sustancias que se combinan entre sí en una reacción química se denominan reactivos, y las nuevas sustancias formadas son los pro-ductos de la reacción química.

Estudio de las reacciones químicas3. Una teoría que explica cómo tiene lugar una

reacción química a escala microscópica es la teoría de las colisiones: una reacción química se produce porque las moléculas de los reacti-vos chocan con la energía suficiente como para romper los enlaces químicos de los reactivos.

4. La velocidad de las reacciones químicas de-pende, entre otros factores, de la temperatura y de la concentración de los reactivos. A ma-yor temperatura y mayor concentración de los reactivos, los choques que originan la reac-ción química son más enérgicos y numerosos, aumentando así la velocidad de la reacción.

Representación y ajuste de reacciones químicas5. Las reacciones químicas se representan utili-

zando ecuaciones químicas donde aparecen las fórmulas de los reactivos y de los produc-tos, y los coeficientes estequiométricos.

6. Ajustar una reacción química implica estable-cer los valores de los coeficientes estequio-métricos que hagan que el número de áto-mos de cada elemento sea igual en reactivos y productos.

Reacciones químicas y leyes fundamentales7. En todas las reacciones químicas se cumple

la ley de conservación de la masa y la ley de las proporciones definidas. A partir de estas leyes se obtiene la relación entre las masas de reactivos y productos que intervienen en la reacción, que se denomina proporción este-quiométrica.

8. A partir de la proporción estequiométrica de una reacción química es posible calcular las masas de los reactivos y productos que inter-vienen en la reacción.

Cantidad de sustancia y reacciones químicas9. La unidad de cantidad de sustancia, que se uti-

liza para cuantificar las reacciones químicas, es el mol. Un mol equivale al número de Avogadro (6,022 · 1023) de unidades fundamentales.

10. La masa molar es la masa en gramos de un mol de una sustancia. Su valor numérico co-rresponde al de la masa molecular o masa de la unidad fórmula, pero sus unidades son diferentes. La masa molecular se expresa en unidades masa atómica y la masa molar en g/mol.

Procedimiento Medidas de seguridad

– Busca información sobre las precauciones que se han de tomar en el manejo del ácido clorhídrico.

Experiencia 1. Constatación de un cambio químico

– Coloca en una gradilla tres tubos de ensayo, y en cada uno de ellos una viruta pequeña de cada metal. Rotula los tubos, para indicar qué metal has puesto en cada uno.

– Pipetea, con ayuda de la pera de goma, 20 mL de ácido clorhídrico, y añade 5 mL de este ácido a cada tubo de ensayo. Anota todos los fenómenos que ob-serves (nuevas sustancias, cambio de temperatura, etc.), para ello diseña y completa una tabla.

– Realiza las actividades 1 y 2 del apartado «Compren-de, piensa, investiga…».

Experiencia 2. Velocidad de la reacción química

– Para hacernos una idea de la velocidad con la que ocurren las reacciones químicas en los tubos de ensayo, vamos a hacer borbotear el gas obtenido en agua (figura derecha). La velocidad con que asciendan las burbujas y su número nos dará una idea de la velocidad del proceso químico.

– Para poder recoger el gas, se llena el tubo de ensayo con agua y se tapa, se invierte, sin que caiga nada de agua, y su parte abierta se sumerge en el cristalizador.

– Para evitar pérdidas de gas por los agujeros del tapón horadado, estos han de sellarse con parafina o plastilina.

– Realiza las reacciones químicas anteriores en este nue-vo montaje. Para ello, coloca el metal en el erlenmeyer y vierte el ácido clorhídrico por el tubo de seguridad.

ObjetivoConstatar que en un cambio químico aparecen sus-tancias nuevas y que hay un intercambio de energía con el exterior. Evaluar algunos de los factores de los que depende la velocidad de este cambio.

Material que necesitasGradilla con tubos de ensayo • Cristalizador • Vaso de precipitados • Pipeta • Pera de goma para pi-petear • Matraz erlenmeyer • Tubo de seguridad • Tapón horadado (dos orificios) • Tubo de vidrio acodado • Ácido clorhídrico • Virutas, polvo y tro-zos de distinto tamaño de cinc, aluminio y cobre.

48

Autoevalúate. Lee con atención cada una de las ideas clave y asegúrate de que la comprendes y recuerdas los contenidos.

Resume información en un dibujo. Explica, rotu-lando tus propios dibujos, estos contenidos:

• Significado de una reacción química a escala microscópica. Utiliza para ello el ejemplo del ejercicio resuelto del epígrafe 4.

• Factores que afectan a la velocidad de reacción.

Confecciona un esquema conceptual. Comple-ta en tu cuaderno el esquema conceptual de la derecha con todos los contenidos de la unidad, además de los señalados con A, B, C y D

Organizo las ideas

1

2

3

Estudio experimental de reacciones químicas

1UNIDAD

Reacción química

se representa por

en la que aparecen

en ella aparecen

llamadas

a partir de

sustancias nuevas

las colisiones de las moléculas de

ecuación química

A C

B

de coeficientes estequiométricos

D

cuyo valor hace que se cumpla

– Estudia cómo afecta el tamaño de los reactivos a la velocidad de la reacción química. Utiliza para ello los trozos de diferente tamaño, polvo y virutas, de los metales. Recuerda ser sistemático en tus anotaciones.

– Realiza las actividades 3 y 4 del apartado «Compren-de, piensa, investiga…».

En tu informe de laboratorio rotula la imagen del montaje, indicando el nombre del material de laboratorio.

Trabajo práctico

1. Responde a estas cuestiones:

•¿Se produce un cambio químico al poner en contacto un metal con ácido clorhídrico?

•¿Se puede afirmar, a partir de las observaciones realizadas, que en una reacción química hay un intercambio de energía? ¿Por qué?

2. Sabemos que la reacción química entre el cinc (Zn) y el ácido clorhídrico (HCl) tiene como pro-ductos cloruro de cinc (ZnCl2) e hidrógeno (H2).

•Escribe y ajusta esta reacción química.

•Escribe y ajusta las reacciones químicas que pueden tener lugar en los otros tubos de ensayo.

3. Diseña y elabora una tabla que te permita con-cluir si la velocidad de reacción cambia o no (len-ta/rápida) al variar el metal y su tamaño (polvo, virutas y trozos de distinto tamaño).

4. Extrae conclusiones a partir de la tabla anterior, y explica por qué se producen estos cambios, si los hubiera. ¿Observaríamos algún efecto similar en una reacción entre reactivos líquidos?


Organizo las ideas1 El apartado «Las ideas clave» permite no solo que cada estudiante haga

una autoevaluación del contenido de la unidad, sino que también pue-de utilizarse como punto de partida para la elaboración de un esquema o resumen de la unidad que incluir en el portfolio. Antes de que sus es-tudiantes lean el contenido de este apartado, puede proponerles que redacten sus propias ideas clave sobre los contenidos de la unidad y que las cotejen con las ofrecidas en su libro.

Recordamos, una vez más, que por cada una de las unidades del libro de alumnado se ofrecen dos autoevaluaciones interactivas; la primera de ellas, permitirá la autoevaluación de los conocimientos previos de nuestros alumnos y alumnas, y la segunda es una autoevaluación final de contenidos cuya realización puede recomendar a sus estudiantes bien en este momento, bien al finalizar la unidad.

2 De forma complementaria al resumen anterior, cada estudiante puede elaborar un gráfico o un dibujo en el que se plasmen algunas ideas de las estudiadas en la unidad. De este modo se diversifica la forma de re-sumir los contenidos, atendiendo así a las distintas capacidades y apti-tudes del alumnado.

En este caso se piden dos esquemas, o dibujos:

– El ejemplo es la descomposición térmica del carbonato de calcio. En el esquema se debe incluir el significado de la fórmula del reactivo y de los productos, y un diagrama de bolas que indique qué enlaces se rompen y cuáles se forman.

– Los factores que afectan a la velocidad de reacción se pueden repre-sentar en dibujos, aludiendo a sólidos finamente divididos, número de choques entre partículas y velocidad de estas.

3 El esquema debe completarse de la siguiente forma:

A: productos, B: reactivos, C: fórmulas químicas; D: ley de la conserva-ción de la masa.

Trabajo práctico En el trabajo práctico propuesto se dan unas indicaciones de cómo se ha realizar el montaje experimental y el procedimiento a seguir de forma ge-neral, pero no se da una secuencia detallada de los pasos y las conclusio-ne, a las que debe llegar cada estudiante.

Con este planteamiento de trabajo se pretende que sea el propio grupo el que elabore el diseño de experimentos y el control de variables.

En las actividades del apartado «Comprende, piensa, investiga…» se pro-pone al estudiante la elaboración del diseño de experimentos y el ade-cuado control de variables, que son, en este caso, el tamaño de partícula del sólido y el metal con el que se realiza la reacción química.

Sugerimos que antes de llevar a cabo la experiencia 2 se lean los enuncia-dos de las actividades 3 y 4.

Se recomienda que el docente prepare previamente los reactivos para no prolongar en exceso la preparación de la práctica; esta también se puede dividir en dos partes, realizando la experiencia 1 en una sesión, la prepara-ción de la experiencia 2 en el aula, y la realización de esta última experien-cia en otra sesión de laboratorio.

Soluciones1 La aparición de hidrógeno gaseoso, una nueva sustancia que no estaba

presente antes del cambio químico, indica que se está produciendo una reacción química. Para responder a la segunda pregunta de esta activi-dad, sugerimos que se observe algún cambio en la temperatura del sis-tema reaccionante.


3 Es destacable que se trata de un estudio cualitativo y que es esperable que se concluya que la velocidad de reacción depende fundamentalmente del estado de división del metal.

4 Respuesta abierta.

47

5150

Trabaja con lo aprendido

50 51

Cambios físicos y químicos 1 Al introducir un huevo entero en vinagre se observa

que de su cáscara se desprende un gas. ¿Se trata de un cambio físico o químico? Busca información sobre cuál es este gas que se desprende.

2 Al poner en contacto vinagre y bicarbonato se des-prende un gas, dióxido de carbono, y se forma una sustancia llamada acetato de sodio y agua:

a) Indica cuáles son los reactivos de la reacción.

b) Indica el número de productos de esta reacción.

3 Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas y explica por qué:

a) En todas las reacciones químicas se desprende energía.

b) Las reacciones químicas solo ocurren de forma natural en organismos vivos.

c) En una reacción química los reactivos y los produc-tos pueden estar en distinto estado de agregación.

d) Las reacciones químicas que se dan en la natura-leza constituyen un problema ambiental.

e) Una reacción irreversible se da cuando los pro-ductos de la reacción se recombinan entre sí para dar lugar a los reactivos.

4 Hay reacciones químicas cuya principal aplicación es energética, pues durante ellas se desprende gran cantidad de energía. Pon un ejemplo de este tipo de reacción química. ¿Qué problema ambiental llevan asociado? Explícalo.

Estudio de las reacciones químicas5 ¿Es compatible la teoría de las colisiones con la ley

de la conservación de la masa? Ambas teorías dan una explicación a ciertos aspectos de la reacción química, pero ¿la ofrecen utilizando la misma esca-la? Explica tus respuestas.

6 Se mide la cantidad de dos sustancias en un vaso de precipitados en el que está ocurriendo una reacción química. Estas cantidades se muestran en la tabla:

Masa A (g) 7,5 4,80 3,40 3,00

Masa B (g) 1,7 4,4 5,8 6,2

Tiempo (min) 1 2 3 4

a) ¿Las sustancias A y B, son reactivos o productos de la reacción? Justifica tu respuesta.

b) Representa los datos de la masa frente al tiem-po, e indica si se trata de una relación lineal.

7 A partir del gráfico del apartado b) del ejercicio an-terior, indica en qué intervalo de tiempo es mayor la velocidad de la reacción química. Explica en qué basas tu respuesta. ¿Podrías relacionar esta obser-vación con la teoría de las colisiones?

8 Explica cómo afecta la temperatura a la velocidad de una reacción química.

Puedes utilizar para ello la teoría de las colisiones y las ideas de la teoría cinético-molecular sobre la temperatura y la energía cinética media de las moléculas.i

9 Explica, con el máximo detalle posible, qué repre-senta el dibujo.

¿Qué conclusión puedes obtener a partir de esta otra representación?

10 Explica cómo afecta la concentración de los reacti-vos a la velocidad de una reacción química. Utiliza para ello la siguiente imagen.

Representación de las reacciones químicas11 Explica en qué consiste ajustar una reacción quími-

ca y qué ley se cumple en todas las ecuaciones quí-micas ajustadas.

12 Escribe toda la información que puedes obtener de la siguiente ecuación química ajustada:

3 Cl2 (g) + 2 Fe (s) 8 2 FeCl3 (s)

13 Utiliza esta tabla en tu cuaderno para verificar que la reacción del ejercicio anterior está ajustada.

ElementoÁtomos en reactivos

Átomos en productos

Cl

Fe

14 A partir del dibujo, donde el color negro se usa para átomos de carbono, el blanco para hidrógeno y el rojo para el oxígeno:

a) Interpreta la reacción a escala atómico-molecu-lar y a escala molar.

b) Escribe la ecuación química ajustada.

15 Ajusta en tu cuaderno las reacciones químicas si-guientes:

a) Fe + Cl2 8 FeCl3.

b) C3H6 + O2 8 CO2 + H2O.

c) KClO3 8 KCl + O2.

16 El disulfuro de hierro, sólido, se combina con dioxí-geno y da dióxido de azufre y trióxido de dihierro (sólido). Escribe la ecuación química ajustada de este proceso, indicando el estado de agregación en que se encuentran todas las sustancias.

17 En la combustión de hidrocarburos, la cantidad de dióxido de carbono está directamente relacionada con el número de átomos de carbono que tenga la molécula del hidrocarburo.

Ajusta en tu cuaderno las siguientes ecuaciones químicas, que representan la combustión de meta-no, etano, propano y butano:

a) CH4 + O2 8 CO2 + H2O.

b) C2H6 + O2 8 CO2 + H2O.

c) C3H8 + O2 8 CO2 + H2O.

d) C4H10 + O2 8 CO2 + H2O.

Establece una relación entre el número de átomos de carbono en la molécula del combustible y la can-tidad de sustancia de dióxido de carbono. Con esta información, completa tu respuesta para la activi-dad 21 de la página 135.

Leyes fundamentales y reacciones químicas18 Si en la reacción entre ácido acético (vinagre) y bi-

carbonato de sodio conociéramos las masas de áci-do acético y bicarbonato de sodio que reaccionan, y las masas de agua y la sal que se forman, ¿podría-mos calcular la masa de dióxido de carbono que se desprende? ¿En qué ley basas tu razonamiento?

19 Cuando calentamos 50 g de carbonato de calcio, se forman 28 g de óxido de calcio y cierta cantidad de dióxido de carbono:

a) ¿Qué masa de este gas se habrá formado en la reacción?

b) ¿Qué cantidad de óxido de calcio se forma a partir de 150 g de carbonato de calcio?

Solución: a) 22 g de dióxido de carbono. b) 84 g de óxido de calcio.

20 A partir de los datos del ejercicio anterior, obtén la proporción en masa con que reaccionan el car-bonato de calcio y el óxido de calcio. ¿Podríamos obtener 56 g de óxido de calcio a partir de 60 g de carbonato de calcio? ¿En qué ley te has basado para responder a esta actividad?Solución: mcarbonato/móxido = 1,79. No, solo se pueden

obtener 33,6 g.

10UNIDAD 1UNIDAD

+

SolucionesSe incluyen aquí las soluciones de las actividades propuestas en las pági-nas finales de la unidad. Aquellas cuya respuesta requiere de cálculo y re-presentaciones gráficas se ofrecen, convenientemente desarrolladas, en el solucionario incluido en los materiales fotocopiables para el profesorado.

Cambio físicos y químicos1 La cáscara de huevo tiene carbonato de calcio, que reacciona con el

ácido acético del vinagre dando acetato de calcio, dióxido de carbo-no y agua. El gas desprendido es dióxido de carbono.


3 a) Falsa; en algunas reacciones químicas ocurre un intercambio de energía en sentido contrario.

b) Falsa; también ocurren reacciones químicas en el medio natural inerte, como la precipitación de sales.

c) Verdadera.

d) Falsa; muchas reacciones químicas que se dan en el medio natural contribuyen a su equilibrio.

e) Falsa; la descripción es la de una reacción reversible.

4 La combustión de combustibles fósiles, como el metano (gas natural) o el butano. En ellas se desprende dióxido de carbono, que contribu-ye al efecto invernadero anómalo y, con ello, al calentamiento global y al cambio climático.

Estudio de las reacciones químicas5 Ambas teorías son compatibles, pues abordan distintos aspectos de

la reacción química y no son contradictorios. La teoría de las colisio-nes explica las reacciones químicas desde un punto de vista microscó-pico, en el que no todos los choques entre moléculas de reactivos dan como resultado productos de la reacción, mientras que la ley de

conservación de masa indica que la suma de las masas de los reacti-vos que han reaccionado es igual a la suma de las masa de los pro-ductos formados, descartándose en este balance la cantidad de reac-tivos que no ha reaccionado, porque los choques no hayan sido efectivos o se haya limitado la cantidad de uno de ellos.

6 y 7 La resolución de ambas actividades se ofrece en el solucionario incluido en los recursos fotocopiables.

8 Al aumentar la temperatura, las moléculas de los reactivos adquieren mayor velocidad y, por tanto, aumenta el número de choques con energía suficiente para dar como resultado la ruptura y formación de nuevos enlaces, dando lugar así a una mayor producción de molécu-las de productos por unidad de tiempo.

9 El primer dibujo muestra un choque con la orientación adecuada para que se formen las moléculas de los productos de la reacción, mientras que en la colisión de la segunda ilustración la orientación no es ade-cuada y, por tanto, no se produce el cambio químico.

10 Al aumentar la concentración de reactivos, el número de moléculas de estos por unidad de volumen es mayor, y, por tanto, el número de choques entre ellas por unidad de tiempo es también mayor, produ-ciéndose así un incremento en la velocidad de reacción.

Representación de las reacciones químicas11 Para ajustar una reacción química se deben elegir los valores de los

coeficientes estequiométricos para que se cumpla que exista el mis-mo número de átomos de cada elemento en reactivos y en produc-tos, cumpliéndose así la ley de conservación de masa.

12 Tres moles de dicloro gaseoso se combinan con dos moles de hierro sólido y dan dos moles de tricloruro de hierro sólido.

13 Se cumple la ley de conservación de la masa, pues tenemos seis áto-mos de cloro y dos de hierro en reactivos y en productos.

Nota: la resolución de las actividades 14 a 20, correspondientes a estas páginas del libro del alum-nado, se ofrece en la siguiente página de esta propuesta didáctica.

48

aprenderemprenderTrabaja con lo aprendido

52

21 El monóxido de carbono es un gas muy tóxico que se forma en la combustión incompleta del carbón (re-acción de combustión que da como resultado mo-nóxido de carbono en vez de dióxido de carbono):

a) Escribe y ajusta la ecuación química.

b) Calcula la masa de dicho gas que se puede formar a partir de 5 g de carbón, sabiendo que la propor-ción estequiométrica en masa es: mCO/mC = 2,3.

Solución: m = 11,5 g de CO.

22 El etanol, C2H6O, es una sustancia que se utiliza como biocombustible. En su reacción de combustión origi-na dióxido de carbono y agua. Calcula las toneladas de CO2 que se emiten a la atmósfera en la combustión de 25 000 L de etanol, sabiendo que la proporción estequiométrica en masa es: mbioetanol/mCO2

= 0,52.

Dato: Densidad del etanol = 0,789 kg/L.

Solución: m = 37,9 toneladas de CO2.

Cantidad de sustancia y reacciones químicas23 Completa la tabla en tu cuaderno:

SustanciaMasa (g)

Cantidad de sustancia

(mol)

N.o total de átomos de O

Agua 54

Ozono 3,16 ∙ 1024

Dióxido de carbono

2,5

Solución: primera fila: 3, 1,80 · 1024; segunda fila, 83,96, 1,75; tercera fila: 110, 3,01 · 1024.

24 Ordena de menor a mayor en cuanto a su masa las siguientes cantidades: a) 0,25 mol de tetracloruro de plomo; b) 5 mol de agua; c) 1 mol de ácido sulfúrico.

Solución: m m m> >H SO H O PbCl2 4 2 4.

25 Un cubo de 1,5 dm de arista está lleno de agua. Cal-cula el número de moléculas de esta sustancia que hay dentro del cubo.

Dato: d (agua) = 1 g/cm3.

Solución: n.o moléculas = 1,13 · 1026 moléculas de agua.

26 Razona cuál o cuáles de las siguientes afirmaciones referidas a la reacción de formación del amoniaco son ciertas, y corrige las falsas:

N2 + 3 H2 8 2 NH3

a) 1 mol de N2 requiere 2 mol de H2.

b) Por cada 4 moles de NH3 que se forman son ne-cesarios 2 mol de N2 y 5 mol de H2.

c) Por cada 3 g de H2 que reaccionen necesitare-mos 1 g de N2.

d) Para obtener 34 g de NH3 fueron necesarios 34 g de N2.

e) La suma de las cantidades de sustancia de los reactivos es 4 mol, y la de los productos, 2 mol; por esto, en este caso no se cumple la ley de conservación de la masa.

27 La figura representa una molécula de diclorometa-no (CH2Cl2):

a) Calcula la cantidad de sustancia de diclorometa-no que hay en una muestra de 127,5 gramos de esa sustancia.

b) Calcula la cantidad de sustancia de cada ele-mento (C, H y Cl) en la muestra anterior de di-clorometano (127,5 g).

c) Calcula la masa de cada elemento (C, H y Cl) presentes en la muestra anterior de diclorome-tano (127,5 g).

Datos: MC = 12 g/mol, MH = 1 g/mol, MCl = 35,5 g/mol.

Solución: a) 1,5 mol. b) 1,5 mol de C, 3 mol de H, 3 mol de Cl. c) 18 g de C, 3 g de H, 106,4 g de Cl.

28 Antiguamente se denominaba como «piedra infer-nal» a un compuesto que tienes que identificar. Para ello dispones de los siguientes datos:

• Su masa molar es 169,9 g/mol.

• Su fórmula química consta de un átomo de plata, tres átomos de oxígeno y un átomo de otro ele-mento que se encuentra en el segundo período del Sistema Periódico.

¿De qué compuesto se trata?

29 El ácido clorhídrico (HCl) se combina con hidróxido de sodio (NaOH) y da cloruro de sodio (NaCl) y agua:

a) Escribe y ajusta la ecuación química.

b) Verifica que se cumple la ley de conservación de la masa calculando la masa necesaria de HCl para que reaccionen completamente 103,5 g de NaOH, y la masa de cloruro de sodio y agua que se produce.

30 El ácido clorhídrico, cuando reacciona con cinc, produce dicloruro de cinc y dihidrógeno:

a) Escribe y ajusta la ecuación química del proceso.

b) Calcula la cantidad de sustancia de hidrógeno que se obtiene al reaccionar 3 mol de HCl.

c) Calcula la masa de HCl que corresponde a 3 mol.

d) Calcula la masa de hidrógeno que se obtiene al reaccionar los 3 mol de HCl de los apartados an-teriores.

Solución: b) 1,5 mol. c) 109,4 g. d) 3 g.

31 Se deja a la intemperie un clavo de hierro de 5 g. Al cabo de cierto tiempo se observa que una parte se ha oxidado, formándose 5 g de trióxido de dihierro:

a) ¿Qué cantidad de hierro ha reaccionado?

b) ¿Cuánto hierro ha quedado sin reaccionar? ¿Qué porcentaje de la masa del clavo representa la parte que ha quedado sin reaccionar?

Solución: a) mFe = 3,5 g. b) 1,5 g, lo que supone un 30 %.

32 Una persona con exceso de ácido clorhídrico en los jugos gástricos toma, para neutralizar dicho exceso, un medicamento que contiene 1,85 g de hidróxido de aluminio por cada 25 mL de medica-mento. La reacción que se produce (sin ajustar) es:

HCl + Al(OH)3 8 AlCl3 + H2O

Suponiendo que el estómago produce 3 L diarios de jugo gástrico, de concentración en ácido clorhídrico 0,075 mol/L, calcula:

a) La cantidad de sustancia diaria de ácido clor-hídrico que se produce en el estómago y la de hidróxido de aluminio necesarias para neutrali-zarlos completamente.

b) La masa de Al(OH)3 y los mL de medicamento que debe tomar al día la persona del enunciado.

Solución: a) 0,225 mol de HCl; 0,075 mol Al(OH)3. b) 5,85 g de Al(OH)3 y 79 mL de medica-mento.

¿Más o menos vitamina C?La vitamina C es necesaria para el normal crecimien-to y desarrollo. Como es hidrosoluble se expulsa por la orina, y tiene que ser suministrada en la dieta.

Además de otros efectos, la vitamina C ayuda a la absorción del hierro y acorta la duración de los res-friados.

Muchas de las bebidas que consumimos anuncian en su etiqueta que contienen vitamina C. Una forma cualitativa de determinar la vitamina C es hacerla reaccionar con una disolución indicadora conocida como lugol. El lugol contiene un asociación de sus-tancias químicas llamadas complejo yodo-amilosa, que es de color azul violáceo.

Este complejo reacciona con la vitamina C y pierde su color. Por tanto, podremos comparar el contenido de vitamina C de varias bebidas observando el tono azul más o menos intenso al añadir unas gotas de la bebida al reactivo lugol. Cuanto más intenso sea el color azul, menos vitamina C hay presente.

En la web ❚ Hay una forma de obtener una disolución parecida al lugol a partir de productos cotidianos (harina de maíz, tintura de yodo para desinfectar heridas y agua). Busca la forma de preparar esta disolución.

❚ Utiliza la disolución anterior para comparar la can-tidad de vitamina C en refrescos y zumos de na-ranja comerciales de diferentes marcas.

❚ Busca información acerca de la cantidad diaria recomendada de vitamina C, su presencia en los alimentos y la necesidad o no de complementar la dieta con suplementos de vitamina C.

Química cotidiana

10UNIDAD 1UNIDAD

53

En la web

Encontrarás una autoevaluación interactiva.

1,5 dm

14 a) La interpretación a escala molecular es: dos moléculas de C2H2 se combinan con cinco de O2 y dan cuatro de CO2 y dos de agua. En la escala molar la interpretación es la misma, pero sustituyendo la pa-labra molécula por mol de moléculas.

b) 2 C2H2 + 5 O2 8 4 CO2 + 2 H2O

15 a 17 La resolución de estas actividades se ofrece en el solucionario incluido en los recursos fotocopiables.

Leyes fundamentales y reacciones químicas18 Sí, podríamos obtener la masa del producto que falta aplicando la ley

de conservación de masa, restando la masa de los otros dos produc-tos a la suma de las masas de los reactivos.


Cantidad de sustancia y reacciones químicas23 a 25 La resolución de estas actividades se ofrece en el solucionario

incluido en los recursos fotocopiables.

26 a) Falsa, un mol de nitrógeno requiere tres moles de hidrógeno, no dos, como se indica en el enunciado de este apartado.

b) Falsa, se necesitan seis moles de hidrógeno.

c) Falsa, la relación numérica dada se refiere a la cantidad de sustan-cia, no a la masa. Por cada tres gramos de hidrógeno (1,5 mol) ne-cesitamos 0,5 mol de nitrógeno (14 g).

d) Falsa, para obtener 34 g de amoniaco (2 mol), se necesita un mol de nitrógeno (28 g).

e) Falsa, se cumple la ley de la conservación de la masa; no existe nin-guna ley de conservación de cantidad de sustancia.

27 La resolución de esta actividad se ofrece en el solucionario incluido en los materiales fotocopiables. Recomendamos que se aproveche el trabajo con ella para explicar la composición centesimal de un com-puesto químico.


Química cotidiana. ¿Más o menos vitamina C? La educación para el consumo responsable y la educación para la salud se abordan con los contenidos de esta lectura y las actividades propuestas al finalizar.

Se pretende que el alumnado reflexione por una parte sobre la necesidad de llevar una dieta equilibrada y, por otra, que desarrolle cierto espíritu crítico hacia la publicidad de las características de productos alimentarios.

La actividad de investigación es sencilla y se puede realizar como expe-riencia de aula. La forma más fácil de abordarla es utilizar reactivo lugol (disolución de yodo al 5 % y yoduro de potasio al 10 %, en agua), que se comercializa por la mayoría de suministradores de reactivos químicos. Si no se dispusiera de este reactivo, se puede fabricar una versión casera si-guiendo estos pasos:

1 Mezclar una cucharada de almidón de maíz con suficiente agua hasta formar una pasta.

2 Añadir 250 mL de agua a la pasta y hervirla durante 5 minutos.

3 Añadir 10 gotas de la solución hecha con almidón a 75 mL de agua.

4 Añadir suficiente disolución de yodo hasta observar un color púrpura/azul oscuro.

La cantidad diaria recomendada de vitamina C en adolescentes es de 65 a 75 mg (http://ods.od.nih.gov/factsheets/VitaminC-DatosEnEspanol/) y se puede ingerir tomando alimentos ricos en vitamina C crudos, pues al coci-narlos esta vitamina se desnaturaliza.

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1

Formulación y nomenclatura

Anotaciones para el profesor• La nomenclatura de las sustancias químicas ha ido variando a lo largo

de las décadas, en las sucesivas revisiones de las recomendaciones ela-boradas por la IUPAC. En este anexo de formulación recogemos las nor-mas de formulación y nomenclatura vigentes en la actualidad, basadas en las que recoge la traducción al español de Nomenclature of Inorganic Chemistry: IUPAC Recommendations 2005 (the Red Book), realizada por Miguel Ángel Ciriano y Pascual Román Polo1 (UPV-EHU).

• En el Libro Rojo se recogen tres tipos de nomenclatura para los com-puestos inorgánicos: de composición (capítulo 5), sustitución (capítulo 6) y la de adición (capítulo 7); se ha elegido para este texto la primera de ellas, que no da cuenta de la estructura de los compuestos químicos. Se trata de una nomenclatura estequiométrica, en la que se ofrece la fór-mula empírica o la molecular de la sustancia química en cuestión.

• Para los compuestos binarios, en el Libro Rojo de la IUPAC se recomien-da el uso de la nomenclatura de composición basándose en prefijos multiplicadores, considerándolos no necesarios si no hay ambigüedad posible en la composición del compuesto químico, pero no los califica de estrictamente prescindibles en estos casos.

•Además, en el apartado IR 5.4.2 de la obra en inglés, se dice que la información sobre proporción entre las especies químicas de un deter-minado compuesto se puede dar a través de los números de carga o de los números de oxidación. En este último caso, la recomendación de la IUPAC es que se use solo si es preciso o puede causar ambigüe-dad. Para el uso del número de carga, o carga del ion, se requiere la utilización de números arábigos, y para el número de oxidación, nú-meros romanos sin indicar su signo, a menos que sea estrictamente necesario. La única restricción que se explicita para el uso del número de oxidación se circunscribe a los iones homopoliatómicos, como el ion peróxido. En estos casos se recomienda el uso del número de car-ga o los prefijos multiplicadores (por ejemplo: K2O2, dióxido de dipo-tasio, o bien dióxido (2-) de potasio2). Por lo anterior, para compuestos binarios, exceptuando los peróxidos y algún otro compuesto con io-

nes homopoliatómicos, la nomenclatura que utiliza el número de oxi-dación es perfectamente válida.

•Desde un punto de vista didáctico, la nomenclatura que utiliza el núme-ro de carga resulta muy útil, pues obliga al estudiante a calcular el nú-mero de oxidación, familiarizándose con este concepto y con los valores de los números de oxidación.

•Una de las más importantes modificaciones en la nomenclatura IUPAC 2005 se refiere a la inversión del orden del oxígeno y los halógenos. Esto afecta a los nombres y las fórmulas de los antes llamados óxidos de los halógenos, que ahora pasan a nombrarse y formularse como haluros de oxígeno (ejemplo: OCl2, dicloruro de oxígeno).

• Respecto de los oxoácidos y sus sales derivadas, cabe destacar que, aunque se trate de nombres no sistemáticos, la IUPAC admite el uso de los nombres comunes basados en los prefijos hipo-, per- y en los sufijos -oso, -ico, -ito y -ato. Esta nomenclatura dificulta la comprensión de la composición del compuesto por parte de una persona con conocimien-tos limitados de química; por ello, se ha decidido incluir la nomenclatu-ra sistemática de composición denominada «de hidrógeno» para los oxoácidos (nótese que en ella es preceptivo no utilizar tildes para los morfemas «oxido» e «hidrogeno»).

• En consonancia con la traducción al castellano de las recomendaciones IUPAC 2005, la ponencia de química de Andalucía publicó una guía para su uso que se ha tenido en cuenta para elaborar el texto de este anexo.

• Estas nuevas recomendaciones, y su adaptación al castellano, no están exentas de controversia, no solo por la dificultad que ha tenido la adapta-ción de algunos términos3, sino también por la poca aceptación que han te-nido algunos de sus aspectos, como puede ser la nomenclatura de adición.

1 Ciriano López, M. A., Román Polo, P., Connelly, N. G., y Damhus, T. Nomenclatura de Química Inorgánica.

Recomendaciones de la IUPAC 2005. Prensas Universitarias de Zaragoza, 2007.

2 Ejemplo 8 de la sección 5.4.2.3 de la versión en inglés.

3 Ciriano, M. A. y Román Polo, P. «Breve historia de la traducción del Libro Rojo de 2005 de la IUPAC».

Panace@. Vol. IX, n.º 28. Segundo semestre, 2008.

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