Bachillerato Víctor Manuel Mora González

Química1Temas selectos

Mora González, Víctor Manuel

Manuel Mora González; il. Miguel Cabrera. –- 2a ed. -– México: ST Editorial, 2009.

208 p.: il.; 26 cm. Bibliografía: p. 203 ISBN 978 607 7529 24 81. Química – Estudio y enseñanza (Superior).

2. Química – Problemas, ejercicios, etc. I. Cabrera, Miguel, il. II. t.

540-scdd20 Biblioteca Nacional de México

ST Distribución, S.A. de C.V.Gustavo Baz 47-A, Parque Industrial Naucalpan, Naucalpan, Estado de México.Teléfono: (01 55) 53 01 35 81

Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial, registro número 3342.

© Derechos reservados 2009 Primera edición: México df, agosto de 2007Segunda edición: México df, agosto de 2009

© 2009, Víctor Manuel Mora González

ISBN: 978 607 7529 24 8

Presidente: Alonso Trejos Director general: Joaquín TrejosPublisher: Giorgos KatsavavakisDirectora editorial: Áurea CamachoCoordinadora editorial: Lilia VillanuevaAsistente editorial: Liliana Ortega

Director de arte: Ernesto BolañosDiagramación: Jeffrey Torres, Daniela HernándezIlustraciones: Miguel CabreraDiseño de portada: Isabel Herrero, Juan BetancourtAsistente de producción: Raquel FernándezFotografías: Stockxchange, archivo ST Editorial

Prohibida la reproducción total o parcial de este libro en cualquier medio sin permiso escrito de la editorial.Impreso en México. Printed in Mexico.

Temas selectos de química 1, de Víctor Manuel Mora González, se terminó de imprimir en julio de 2009 en los talleres de Reproducciones fotomecánicas S. A. de C. V., con domicilio en Democracias #116, col. San Miguel Amantla, Delegación Azcapotzalco, C.P. 02700, México, D.F.

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contenido

Presentación 6Organización del libro 7Competencias 8

Unidad 1modelo cinético molecular

Evaluación diagnóstica 12

TEMA 1: CArACTErísTICAs DE lOs gAsEs 15Expansión 18Compresibilidad 18Densidad 20Difusión 21

TEMA 2: lEyEs DE lOs gAsEs 24Presión 24

Presión atmosférica 25Presión manométrica 26

Temperatura 27Volumen 30Cantidad de sustancia 31Ley de Boyle-Mariotte 34Ley de Charles 37Ley de Gay-Lussac 39Ley general o combinada de los gases 42Ley de Dalton de las presiones parciales 44Ecuación del gas ideal 48

TEMA 3: CArACTErísTICAs DEl EsTADO líquIDO DE lA MATErIA 51Presión de vapor 52Punto de ebullición 54Punto de congelación 55Tensión superficial 56Densidad 57

TEMA 4: CArACTErísTICAs DEl EsTADO sólIDO DE lA MATErIA 59Sustancias amorfas 60Sustancias cristalinas 60

4

Sistemas cristalinos 61Las celdas unitarias 63

TEMA 5: MODElO CInéTICO MOlECulAr 68Postulados del modelo 69Comportamiento de los estados de la materia a partir

del modelo cinético molecular 69Estado gaseoso 69Estado líquido 70Estado sólido 71Cambios de estado 71

semblanza 74Autoevaluación 76

Unidad 2cinética QuÍmica

Evaluación diagnóstica 82

TEMA 6: VElOCIDAD DE rEACCIón 85Teoría de las colisiones 86Velocidad de reacción 89

Ley de velocidad 95Factores que modifican la velocidad de reacción 96

TEMA 7: EquIlIbrIO quíMICO 101Reversibilidad de las reacciones químicas 102Ley de acción de masas y constante de equilibrio 105

Ley de acción de masas 106Equilibrio homogéneo 109Cálculo de la constante de equilibrio 110Cálculo de concentraciones en el equilibrio 116

TEMA 8: PrInCIPIO DE lE ChÂTElIEr 125Cambios de concentración 127Cambios de presión 129Cambios de temperatura 130

semblanza 134Autoevaluación 136

5

Unidad 3concePtoS de termodinÁmica

Evaluación diagnóstica 140

TEMA 9: sIsTEMAs TErMODInáMICOs 143Sistemas 144Estado del sistema 146

Funciones de estado 146Proceso 146

TEMA 10: PrIMErA lEy DE lA TErMODInáMICA 149Energía interna 149Entalpía 152

Reacciones exotérmicas y endotérmicas 152Entalpías de formación 155Entalpía de reacción 157

TEMA 11: lEy DE hEss 161Ecuaciones termoquímicas 162Cálculos termoquímicos 162

TEMA 12: sEgunDA lEy DE lA TErMODInáMICA 166Entropía 169

Entropías de reacción en estado estándar 171Energía libre de Gibbs 175

Efecto de la temperatura sobre la energía libre de una reacción 177Cálculo de ∆Sº o de ∆Hº si se conocen la temperatura y el valor de ∆G° 178

Espontaneidad de un proceso 179

semblanza 182 Autoevaluación 184

SECCiÓn FinaLPrácticas de laboratorio 188 Autoevaluación final 194 respuestas 200 Fuentes consultadas 203

EnCUEnTRa TU CaMinO. TEST dE inTELigEnCiaS MúLTipLES 204

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presentaciónLas carreras afines a la química representan una excelente opción y un campo amplio y fértil para el desarrollo de las capacidades y talentos de la persona, porque implican una comprensión profunda de los fenómenos que derivan en la transformación de unas sustancias en otras y de los mecanismos implicados. Por esto, el conocimiento se convierte en una excelente herramienta capaz de proveer a la sociedad los insumos necesarios para su existencia y convertir este mundo en un lugar más propicio para el desarrollo y conservación de la vida.

Un reto de nuestro país es precisamente formar jóvenes preparados e interesados en la investigación científica, cuyos estudios profesionales contribuyan a la mejora de esta área en México.

El presente libro pretende motivar a los estudiantes a interesarse por las actividades de investigación que se están realizando para resolver problemas actuales, de manera que en un futuro puedan involucrarse y participar en ellas, con una posición crítica y una actitud de respeto por el desarrollo social de la ciencia.

Los contenidos de este libro, propuestos por la Dirección General del Bachillerato (dgb) y pertenecientes al componente de formación propedéutica, se apegan totalmente al programa de Temas selectos de química 1. Aquí se tratan temas como las carac-terísticas del estado líquido, gaseoso y sólido de la materia; el modelo cinético mole-cular; velocidad de reacción; equilibrio químico; sistemas termodinámicos, y primera y segunda ley de la termodinámica.

La asignatura se enfoca a promover en los alumnos el interés por la ciencia y a desa-rrollar las capacidades y habilidades necesarias para realizar proyectos de investiga-ción. Para ello, el libro hace énfasis en la relación entre los temas tratados y el campo laboral, para que la teoría pueda llevarse a la práctica y los estudiantes tengan un panorama más claro de cómo aplicar los conocimientos que han adquirido.

Este libro ayudará a los estudiantes a reforzar los conocimientos que obtuvieron con Química 1 y Química 2, y a preparar mejor el examen de ingreso a la educación superior. Para lograr este objetivo, hemos procurado combinar una explicación

sencilla y a la vez profunda de los temas que marca el programa de estu-dio, incluir ejemplos que ilustran la aplicación en la vida diaria de los conceptos estudiados, un buen número de problemas resueltos que se complementan con las autoevaluaciones al final de las unidades, ilustraciones variadas y atractivas, y experimentos sencillos pero

interesantes que se pueden realizar en casa o en el laboratorio.

El libro también cuenta con una semblanza en cada unidad de profesionales especializados en la materia que cuentan su experiencia como protagonistas del desarrollo científico de México. Al final, se incluye un test de inteligencias múlti-ples que ayuda a orientar a los estudiantes en su

elección de una carrera acorde a sus habilidades y aptitudes.

De antemano se agradecen los comentarios o sugerencias que sirvan para mejorar esta obra; se pueden enviar al autor a

la siguiente dirección electrónica: comentarios@st-editorial.com.

7

del libroorganización

16

Unidad1 modelo cinético molecUlar

17

autoevaluaciónLas partículas del gas están en constante movimiento en todas direcciones;

chocan frecuentemente entre sí y con las paredes del recipiente, con choques perfectamente elásticos. Los rebotes contra las paredes del recipiente ejercen cierta fuerza que es, en definitiva, la que provoca la presión que ejerce el gas. Este movimiento aleatorio y a altas velocidades permite que las moléculas del gas llenen el recipiente que los contiene con rapidez. En consecuencia, para efectos prácticos, el volumen de una muestra de gas corresponde al volumen del recipiente en el que se encuentra confinado.

La energía cinética promedio de las partículas es igual para todos los gases a la misma temperatura y su valor es directamente proporcional a la temperatura absoluta, es decir, en Kelvin. Así pues, si se tuvieran dos masas gaseosas, una de propano y otra de butano a la misma temperatura, digamos 293 K (20°C), se puede tener la certeza de que la energía cinética de las partículas es la misma en cada caso.

Cuando el gas recibe calentamiento, la energía cinética de sus moléculas aumenta y se multiplican los choques de las partículas contra las paredes del recipiente; esto provoca un incremento en su presión. Si el recipiente es elásti-co, el aumento de temperatura ocasiona también un aumento en el volumen como consecuencia del aumento de presión.

LeeNuevos compuestos químicos con gases nobles

Hasta ahora, las “leyes” de la química decretaban que los elementos nobles, que incluyen a los gases helio, neón, argón, kriptón, xenón y radón, y se ubican en la columna derecha de la tabla periódica, tenían un estado especial. Estos elementos se presentan en forma de átomos inertes que no se combinan químicamente con otros, excepto bajo condiciones de energía extrema aplicada para que cedan sus electrones.

Esta observación, descrita hacia finales del siglo xix, se explicó con el desarrollo de la teoría cuántica hace alrededor de 70 años, cuando se descubrió que la inercia de los átomos del gas noble deriva de sus capas elec-trónicas estables y cerradas, que hacen a estos átomos prácticamente impermeables a reaccionar químicamente con otros átomos.

Un desarrollo mayor en cuanto a la “ruptura” de estas capas electrónicas para alcanzar combinaciones molecu-lares se logró en la década de 1960, pero sólo con gran dificultad y con reactivos sumamente potentes, tales como el flúor. Esto limitó los tipos de compuestos que se pueden sintetizar, así como sus aplicaciones potenciales.

Desde entonces, la búsqueda de compuestos nuevos que involucren gases nobles ha continuado y ha representado un desafío científico muy prometedor.

Un avance importante en este campo fue conseguido por el profesor Gerber de la Universidad Hebrea, cuando

predijo, sobre la base de cálculos teóricos, la existencia de una “familia” química nueva de sustancias constitui-das por átomos de gases nobles e hidrocarburos.

Operando sobre la base de las teorías del profesor Gerber, importantes científicos en Finlandia (como Markku Rasanen y sus colaboradores) y en Moscú (como Vladimir Feldman y otros) consiguieron producir los nuevos compuestos en sus laboratorios. El proceso por el que se obtuvieron estos compuestos resultó mucho más sencillo que en intentos anteriores, sin tener que acudir a las técnicas usadas en el pasado que involucraban materiales indeseables y extremada-mente reactivos.

La combinación de átomos de gas noble con molécu-las orgánicas básicas (hidrocarburos) es un hecho que ha despertado gran interés en la comunidad química internacional, y abre el camino para obtener variedades nuevas de derivados químicos utilizando estos gases. Por ejemplo, el gas xenón, que no tiene ningún efecto fisiológico negativo, podría ser usado para producir compuestos anestésicos nuevos. Otro uso posible es la producción de combustibles novedosos, los cuales serían más eficientes energéticamente y menos contaminantes que los que se encuentran en uso. Otras aplicaciones podrían estar en la creación de productos químicos nue-vos para la industria, la medicina o la agricultura, que fueran menos contaminantes para el entorno que los materiales utilizados hoy en día.

Adaptada de: http://www.solociencia.com/quimica/05042806.htm

I. Resuelve los siguientes ejercicios.

1. Define o explica cada uno de los términos que se presentan a continuación.a. Teoría de las colisionesb. Energía de activaciónc. Velocidad de reacciónd. Constante de velocidade. Complejo activado

2. ¿Por qué sucede que un aumento en la concentración de uno de los reactivos ge-neralmente aumenta la velocidad de la reacción? Emplea la teoría de las colisiones para explicarlo.

3. ¿Qué influencia tiene un catalizador en la velocidad de reacción?4. Dibuja el diagrama de energía de un proceso A + B → C, donde ∆Hr

0 = 85 kJ/mol y la energía de activación es de 300 kJ/mol.

5. Considera la siguiente reacción:2NO(g) + 2H2(g) → N2(g) + 2H20(g) Velocidad = k [NO]2 [H2]

¿Qué efecto tendría en la velocidad de la reacción los cambios siguientes?a. Incrementar la concentración de NO de 0.1 M a 0.2 M sin cambio de H2. b. Incrementar la concentración de H2 de 0.1 M a 0.3 M sin cambio de NO.

6. La siguiente tabla presenta la desaparición del N2O5 en diferentes tiempos.

Tiempo (s) Velocidad (mol/Ls)0 2.5

10 1.315 0.920 0.75

2N2O5(g) → 4NO2(g) + O2(g)

Obtén la velocidad de descomposición de N2O5 para cuando se tienen 10 y 20 segundos.

7. Se tiene la reacción:A + 3B → 2C + DDonde la velocidad de aparición de D es de 0.0457 mol/Lmin. Calcula la velocidad de desaparición de A y B, así como la de formación de C.

8. En la síntesis de amoniaco se tiene que -∆[H2] / ∆t = 3.5 x 10-5 mol/Lmin. ¿Qué valor tendría ∆[NH3] / ∆t

en la siguiente reacción?:

N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)

Estimado/a docente,

para ampliar esta autoevaluación visite:

bachillerato.st-editorial.com

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CaraCterístiCas de los gases tema1

Aplicar los postulados del modelo cinético molecular para observar cómo se comportan los estados de agregación de la materia. Identificar las características de los gases, líquidos y sólidos mediante un

análisis descriptivo, en situaciones experimentales y/o de consulta bibliográfica o documental. Destacar su importancia en el mundo natural que los rodea con una postura crítica y responsable.

Las propiedades que observamos en la materia se explican a partir de su estructura atómica, mediante modelos científicos que se establecen después de realizar muchos

experimentos y comprobaciones. En particular, el modelo cinético molecular presenta en sus postulados una base sólida para explicar y predecir el comportamiento de un

cuerpo, cualquiera que su estado de agregación. En el mapa conceptual de esta página puedes ver los principales temas de la unidad.

Introducción

Unidad 1modelo CinétiCo moleCUlar

Objetivo

Modelo cinético molecular

postulados del modelo

estado gaseoso

estado sólido

estado líquido

incluye

del cual se estudian

por ejemplo como

del que se estudian del que se estudian

leyes de los gases

características características

compresibilidaddensidaddifusiónexpansión

Boyle-MariotteCharlesGay-Lussacgeneral o combinadapresiones parcialesecuación del gas ideal

propiedades de las sustancias amorfaspropiedades de las sustancias cristalinas

presión de vaporpunto de ebullicióndensidadpunto de congelación

En las máquinas llamadas compresores se disminuye el volumen de una determinada cantidad de aire al aumentar su presión por procedimientos mecánicos. Si eliminamos la presión exterior, el aire comprimido se expande rápidamente. Esta fuerza expansiva proporciona la fuerza motriz a máquinas y herramientas neumáticas, entre las que se encuentran taladros, martillos, limpiadoras de chorro de arena y pistolas de pintura.

Otra aplicación común e importante la encontramos en los motores de combustión interna que funcionan mediante un ciclo de cuatro tiempos (ciclo de Otto): admisión, compresión, expansión y escape. En el primer tiempo (admisión) se abre la válvula de admisión, el pistón baja y el cilindro se llena de aire mezclado con combustible; en la compresión (la segunda instancia), una vez cerrada la válvula de admisión, el pistón sube y compri-me la mezcla de aire-combustible; en el tercer tiempo, expansión, las bujías emiten una chispa eléctrica que incendia la mezcla comprimida, y el calor generado por la combustión de los gases aumenta la presión que se ejerce sobre el pistón. En el cuarto tiempo (escape), se abre la válvula de escape, el pistón se mueve hasta el llamado punto muerto superior y se expulsan los residuos de la combustión (figura 2).

Los gases comprimidos se emplean como propelentes en la producción de los llamados sprays o aerosoles. Su función principal es proporcionar la presión necesaria dentro del sistema para expulsar el contenido del envase. Entre los propelentes empleados con mayor frecuencia se encuentran espe-cialmente diversos hidrocarburos –derivados del metano, etano y propano, y de bajo peso molecular, como butanos y pentanos–, y gases comprimidos como dióxido de carbono, nitrógeno y óxido nitroso. Con frecuencia se emplean mezclas de propelentes para obtener aerosoles que resulten ino-cuos para las personas.

Admisión Compresión Expansión Escape

Figura 2.El ciclo de Otto es un proceso termodinámico que ocurre en un motor de com-bustión interna, y produce energía mecánica a partir de la propiedad de los gases.

Los aerostatos o globos aerostáticos están com-puestos por una bolsa que contiene una masa de gas más liviano que el aire. Estas aerona-ves aprovechan la disminución de la densidad

del aire debido al calentamiento y ello permite controlar la altura en que flotan. Cuando es ne-cesario descender, se disminuye la temperatura y por tanto aumenta la densidad del gas.

toma nota

2

1

3

4

5

6

semblanza: entrevista a un especialista dedicado a alguna rama de la química, donde cuenta acerca de su experiencia y aporta al alumno información relevante sobre el campo laboral donde pudieran aplicarse los conocimientos de esta materia.

Encuentra tu camino. Test de inteligencias múltiples: comprende cuatro páginas y tiene el propósito de orientar al alumno mediante un test para que antes de elegir una posible carrera conozca cuáles son sus procesos cognitivos predominantes, y realizar una elección más competente.

Como apoyo al texto principal, el libro contiene una serie de secciones complementarias que le dan un valor agregado.

Evaluación diagnóstica: evalúa los conocimientos previos que debe tener el alumno para enfrentar los temas.

Mapa conceptual: permite visualizar en forma sintética los principales conceptos de la unidad. [1]

Toma notas y retratos: información complementaria y aportes que han dejado hechos o personajes relevantes de la historia. [2]

Ilustraciones: refuerzan la información y muestran los procesos más relevantes de manera científica, creativa y explicativa. [3]

lecturas: proporcionan información adicional sobre algún tema de interés para ser comentado en clase. [4]

Autoevaluación y respuestas: su finalidad es evaluar el conocimiento adquirido en cada unidad. Al final del libro se incluyen las respuestas impares de las autoevaluaciones, con el fin de que los estudiantes completen su proceso de aprendizaje. [5]

Prácticas de laboratorio: requieren material accesible y equipo básico de laboratorio. Su objetivo es motivar al alum-no y guiarlo a la investigación experimental.

Prácticas adicionales: en cada autoevaluación se incluye el sitio web de sT Editorial, donde el docente podrá acceder y descargar ejercicios adicionales para sus alumnos. [6]

Arnulfo Romero Uscanga Por José Manuel Martínez

SemblanzaLos héroes de verdad no siempre se ocultan tras un disfraz llamativo, ni tienen súper poderes; a veces simplemente llevan una bata blanca y saben el lenguaje universal de la química.

Platicar con el doctor Arnulfo Romero, maestro en ciencias por la unam, es un placer. Pese a trabajar en la Fábrica de Billetes del Banco de México –un sitio de alta especialización y elevadísima responsabilidad–, rodeado de equipos electrónicos, tubos de ensayo, básculas y aparatos que parecieran salidos de una película de ciencia ficción, su conversación es afectuosa. Su apariencia bonachona recuerda la de un amigo cercano dispuesto a compartir una agradable tarde de charla.

El doctor Romero Uscanga llegó a la Facul-tad de Química de la unam gracias a las pe-lículas de ciencia ficción que veía de niño; en particular fue Viaje al centro de la Tierra, con Pat Boone, la que lo hizo interesarse por las ciencias. En esta película uno de los personajes principales –tío de la protagonis-ta– tenía las respuestas a todas las preguntas: sa-bía geografía, geología, botánica, paleontología, mineralogía, química, física, etc. En uno de los diálogos la protagonista explica que su tío es “un científico”. Al entonces niño Arnulfo Romero le impactó tanto el personaje del científico, que decidió que él también se convertiría en uno, dejando atrás la idea de ser bombero, policía o superhéroe, como muchos niños podrían desear.

La química, como otras ciencias, no es un conocimiento abstracto y aburrido; está en todas partes. Por eso, cuando Arnulfo

Romero eligió una carrera, prefirió la quí-mica pues requiere conocimientos de mate-máticas, física, cristalografía, biología, etc., es decir, es una ciencia mucho más apegada al modelo del “científico” que él tenía en mente. ¿Quién dijo que la fantasía cinema-tográfica no puede inspirar y dirigir sueños

infantiles?

Los retos de un científicoEl doctor Arnulfo Ro-mero afirma que ha enfrentado diversos re-tos, pero el principal es poder hacer que la quí-

mica se enseñe de manera amigable y fá-cil, para que más jóvenes deseen estudiarla, en vez de considerarla como algo sólo para “ratones de biblioteca”. La química cotidia-na, la que requiere saber una abogada, una arquitecta o un contador público, puede ser motivante y altamente divertida.

El doctor Arnulfo Romero comparte un consejo que le dieron cuando estaba por elegir la carrera que estudiaría: “Escoge tu carrera en aquello que te guste tanto, que no te importe pagar porque te permitan hacerlo; por ejemplo,

si te gusta mucho el cine, no te importa pagar por entrar a verlo. Si lo que haces lo haces porque te gusta, lo vas a hacer bien y lo demás vendrá por añadidura”. Sin duda alguna, la química te permite una amplia variedad de labores, y su relación con

problemas reales es evidente. Los héroes de verdad no siempre se ocultan tras un disfraz llamativo, ni tienen súper poderes; a veces simplemente llevan una bata blanca y saben el lenguaje universal de la química.

De la pantalla grande a la vida real Si el glamour del cine hizo que al doctor Romero le naciera el interés por el mundo de la ciencia, la realidad le hizo ver que ese glamour sólo puede existir en las películas, y el mundo real es más desafiante que cualquier reto cinematográfico. Como profesional de esta ciencia, trabajó como maestro de la materia de química en la enep, cuando tenía poco de haberse inaugurado, allá por los años 50. Esto lo llevó a escribir, junto con algunos compañeros, materiales didácticos que apoyaran la educación de la química y la vincularan con los intereses de los estudiantes, en lugar de hacerla tediosa y lejana.

Después de una larga trayectoria, llegó a la Fábrica de Billetes del Banco de México, donde trabaja desde hace ya más de una década y media. Está a cargo del Departamento de Control de Calidad e Investigación, en el cual se dedica a aplicar la química analítica en la certificación de la calidad de los insumos que se utilizan en ella, así como al desarrollo de nuevos materiales: evaluación de mejores elemen-tos de seguridad para evitar la falsificación de los billetes o sustitución del papel por un sustrato polimérico para disminuir el ensuciamiento, entre otros aspectos.

El trabajo en la fábrica de billetes le ha dado al doctor Romero Uscanga la satisfacción de ver que el fruto de las investigaciones que se hacen en estos labo-ratorios está en las manos de cada habitante de este país, algo que no todos los científicos pueden presumir.

Un científico de todos los días

Consejos de un científico

Al entonces niño Arnulfo Romero le impactó tanto el personaje

cinematográfico del científico, que decidió que él también se convertiría en uno.

Un científico como salido de la pantalla grande

construir un nuevo ser humanocompetencias

El enfoque de competencias, como com-plemento del paradigma constructi-vista de la educación, es una herra-mienta que nos permite comprender que el ser humano tiene un potencial ilimita-do de capacidades que puede descubrir y desarrollar con ayuda de su familia y de las instituciones educativas.

El aprendizaje significativo por parte de los estudiantes requiere saber conocer, sa-ber hacer, saber convivir y saber ser, para atender la solución de situaciones proble-máticas, en un contexto determinado de la

vida real y con criterios previamen-te establecidos.

Educar con el enfoque en competencias representa

crear experiencias de apren-dizaje –suficientes para

que los estudiantes “movilicen” sus capa-cidades de forma inte-gral–, e indispensables

para realizar satisfac-toriamente sus

actividades.

La conciencia y el desarrollo de las ca-pacidades del individuo pueden llevar-lo a la articulación de otras competencias para sus nuevos retos de aprendizaje. La complejidad de las competencias puede ir en aumento, en dependencia de los intereses y necesidades personales del individuo y de las situaciones que debe atender en su mundo familiar, social, cul-tural, político y laboral.

Las competencias esenciales o genéri-cas les permitirán comprender el mundo, aprender a vivir en él y aportar lo propio para transformarlo en niveles superiores. Existen categorías generales en las com-petencias que deben consolidar, y cada una se subdivide en las competencias es-pecíficas que formarán el perfil del egre-sado de este nivel educativo. Este tipo de competencias se podrán entretejer más adelante con las competencias disci-plinares y las laborales, que conforman un todo armónico y le dan pleno sentido al proceso educativo.

Profesoras y profesores tienen la fun-ción de motivar, orientar e impulsar las potencialidades de sus estudiantes; es-tablecer los resultados de aprendizaje por cada competencia y prever las evi-dencias alcanzadas (de producto, cono-cimiento, proceso o actitud). Al evaluar las competencias deberán considerar si las evidencias obtenidas lograron los re-sultados de aprendizaje esperados y, así, determinar si los estudiantes han alcan-zado tal o cual competencia.

Las competencias son capacidades que la persona desarrolla en forma gradual durante el proceso educativo, que incluyen conocimientos, habilida-des, destrezas y actitudes, en forma integrada, para dar satisfacción a las necesidades individuales, académicas, laborales y profesionales.

A continuación, se muestran algunos ejemplos de este libro donde se aplican las once compe-tencias genéricas:

Conocerse, valorarse y abordar los problemas y retos a partir de objetivos.

Aprender por iniciativa e interés propio a lo largo de la vida.

Ser sensible al arte, apreciarlo e interpretarlo en todas sus expresiones.

Elegir y practicar estilos de vida saludables.

comunicación

autorregulación y cuidado de sí

U3/p. 148 (actividad individual)

U2/p. 126(cuadro)

U3/p. 167(toma nota)

Sección final/p. 191 (Vayamos más lejos)1 5

3

7

2

pensamiento crítico

Desarrollar innovaciones y proponer soluciones a problemas a partir de un método seleccionado.

Mantener una postura personal sobre temas de interés y considerar otros puntos de vista de manera crítica y reflexiva.

Sección final/p. 193(Vayamos más lejos)6

4Escuchar, interpretar y emitir mensajes pertinentes en distintos contextos, mediante la utilización de herramientas y medios apropiados.

U2/p. 129(actividad grupal)

trabajo colaborativo o en equipos

Contribuir al desarrollo sustentable del medio ambiente, de manera crítica y con acciones responsables.

U2/p. 106(toma nota)11

910

Participar con una conciencia cívica y ética en la vida de la comunidad, de la región, de México y del mundo.

U1/p. 21 (actividad grupal)

Mantener una actitud respetuosa hacia la diversidad de culturas, creencias, valores, ideas y prácticas sociales de otras personas.

U2/p. 87(figura 2)

aprendizaje autónomo

responsabilidades cívicas y éticas

Participar y colaborar de manera efectiva en trabajos de equipo.

U3/p. 153 (actividad grupal)8

modelo cinético molecular

u1

12

diagnósticaevaluación

Para comprender mejor los nuevos temas conviene que antes autoevalúes tus conocimientos básicos de química. Resuelve lo que te proponemos a continuación, revisa tus resultados y compáralos con los que obtengan tus compañeros y compañeras. Auxiliados por su docente identifiquen los aciertos y las fallas. Estas últimas les señalarán los temas que deben repasar o aprender para tener un buen desempeño al estudiar la unidad.

1. Completa la tabla siguiente. Si te damos el símbolo, anota el nombre, y si te damos el nombre, anota el símbolo del elemento químico correspondiente.

Símbolo Nombre Símbolo Nombre Símbolo Nombre

He Neón N

Azufre Al Níquel

C Cloro Na

Yodo Fe Oxígeno

2. ¿Qué tanto recuerdas de la fórmula y nombre de los compuestos? Pruébate con el siguiente ejercicio. Si te damos la fórmula, escribe el nombre, y si te damos el nombre, anota la fórmula del compuesto correspondiente.

Fórmula Nombre Fórmula Nombre

CaO Monóxido de carbono

AlH3 Hidruro de litio

H2S Óxido de cobre (I)

Fe(NO3)2 Ácido clorhídrico

NaCl Ácido sulfúrico

3. Anota en tu cuaderno la definición de átomo, compuesto, elemento y estado de agregación.

4. ¿Recuerdas cuáles son los cambios de estado? Resuelve el crucigrama de la siguiente página.

Verticalesa. Paso directo del estado sólido al estado gaseoso.b. Paso del estado sólido al líquido.c. Cambio del estado gaseoso al estado sólido sin pasar por el estado líquido.d. Paso del estado gaseoso al líquido por disminución de la temperatura.

13

evaluación diagnóstica

Horizontalese. Cambio del estado líquido al estado gaseoso.f. Cambio del estado líquido al sólido.

a.

b.

c.

d.

e.

f.

5. ¿Cuáles son tus expectativas en el curso que inicias? ¿Qué esperas aprender? ¿Qué uti-lidad tendrá en tu desarrollo académico? Anota tus respuestas en las siguientes líneas y, si te parece oportuno, analízalas con tu profesor o profesora.

Aplicar los postulados del modelo cinético molecular para observar cómo se comportan los estados de agregación de la materia. Identificar las características de los gases, líquidos y sólidos mediante un

análisis descriptivo, en situaciones experimentales y/o de consulta bibliográfica o documental. Destacar su importancia en el mundo natural que los rodea con una postura crítica y responsable.

Las propiedades que observamos en la materia se explican a partir de su estructura atómica, mediante modelos científicos que se establecen después de realizar muchos

experimentos y comprobaciones. En particular, el modelo cinético molecular presenta en sus postulados una base sólida para explicar y predecir el comportamiento de

un cuerpo, cualquiera que sea su estado de agregación. En el mapa conceptual de esta página puedes ver los principales temas de la unidad.

Introducción

unidad 1modelo cinético molecular

Objetivo

Modelo cinético molecular

postulados del modelo

estado gaseoso

estado sólido

estado líquido

incluye

del cual se estudian

por ejemplo como

del que se estudian del que se estudian

leyes de los gases

características características

compresibilidaddensidaddifusiónexpansión

Boyle-MariotteCharlesGay-Lussacgeneral o combinadapresiones parcialesecuación del gas ideal

propiedades de las sustancias amorfaspropiedades de las sustancias cristalinas

presión de vaporpunto de ebullicióndensidadpunto de congelación

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tema1características de los gases

todo cuanto existe en el universo es materia y se puede presentar de diferentes formas –o dicho con más exactitud– en diferentes estados de agregación: sólido, líquido y gaseoso. Cada uno de los tres estados

tiene sus propiedades características que le proporcionan, además de una apariencia distinta, un comportamiento diferente.

• ¿Cuál es la explicación de tales diferencias? • ¿Por qué los gases y los líquidos pueden fluir y los sólidos no? • ¿Por qué un sólido mantiene su forma y volumen mientras que los gases no

tienen forma ni volumen definido? • ¿Por qué los gases pueden comprimirse con relativa facilidad mientras que

los líquidos y sólidos son, prácticamente, incompresibles?

Para dar respuesta a estas interrogantes y otras que surgirán a lo largo de la unidad, estudiaremos las características y comportamiento de los gases, líquidos y sólidos, y haremos un puente entre los niveles macroscópico y microscópico. En otras palabras, nos esforzaremos por comprender de qué forma la estructura atómica explica las propiedades y el comportamiento

Sólido. Estado de agrega-ción de la materia caracterizado por tener sus partículas estrechamente unidas.

Líquido.Estado de agrega-ción de la materia caracterizado por poseer volumen constante en con-diciones normales, pero cuya forma es variable.

Gas. Estado de la materia en el que la sustancia no mantiene ni forma ni volumen definido.

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unidad1 modelo cinético molecular

que observamos mediante nuestros sentidos en los cuerpos sólidos, líqui-dos o gaseosos con los que interactuamos, y a la inversa. A partir de las observaciones macroscópicas trataremos de deducir o inferir la estructura de los sólidos, líquidos y gases, así como de las fuerzas que actúan entre las partículas que los constituyen. De esta forma podremos tener una explica-ción más profunda de los fenómenos que ocurren tanto en nosotros mismos como a nuestro alrededor y, en consecuencia, estaremos más preparados para tomar una actitud de responsabilidad y compromiso en el cuidado de nuestra nave azul: el planeta Tierra.

El estudio de los estados de agregación se iniciará por los gases y seguirá por los líquidos, para concluir con los sólidos. Tal ordenamiento obedece a la facilidad con la que es posible estudiar los cambios en los gases al variar algunas condiciones como la temperatura, el volumen y la presión. Las explicaciones que encontraremos servirán como base para adentrarnos en el estudio de las propiedades y el comportamiento de los otros dos estados.

Los gases están presentes por doquier. Todos los seres vivos existimos inmersos en una gran masa de gas llamada atmósfera; de ella extraemos el oxígeno necesario para vivir. La naturaleza entera está sujeta a los fenómenos que suceden dentro de la atmósfera terrestre. En las aplicaciones tecnológicas los gases tienen una gran importancia porque sirven como combustible y como medio para mover herramientas.

Como ya mencionábamos, debido a su sencilla manipulación y a la facili-dad con la que pueden observarse los cambios que en ellos se producen, los gases han sido ampliamente estudiados y se han establecido algunas leyes que sirven para predecir su comportamiento. Conviene dejar claro que el compor-tamiento físico de un gas es independiente de su composición química y se define por medio de las variables: volumen, presión, temperatura y el número de moles de la sustancia que se estudia. En otras palabras, no importa si el gas en cuestión es nitrógeno, oxígeno, dióxido de cloro o de azufre, su comporta-miento físico dependerá tan sólo de las variables mencionadas.

Algunas características de los gases son muy conocidas: no poseen forma ni volumen definido, una vez que se confinan en un recipiente tienden a llenarlo por completo, son fácilmente compresibles, etc. Sin embargo, existen otras características también de gran importancia que no se conocen del todo bien y que estudiaremos a continuación.

ActividAd grupAl1. En grupos de tres personas, reflexionen sobre las siguientes preguntas y escriban el porqué de

cada una de estas situaciones. Posteriormente, en coordinación con su profesor o profesora, compartan con el resto del grupo sus ideas y traten de llegar a acuerdos.a. ¿Por qué razón flota un globo lleno de helio, mientras que uno lleno de aire no

lo hace?

Temperatura.Se define como

una medida de la energía cinética promedio de las moléculas de un

cuerpo.

Presión. Se define como la fuerza por unidad

de área.

Mol. Unidad de la can-

tidad de sustancia, es el número de

átomos que hay en exactamente 12 g

de carbono-12.

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características de los gases tema1

b. ¿Por qué razón flota un globo aerostático cuando el aire contenido en él se calienta? Y a la inversa, ¿por qué desciende si el aire se enfría?

c. Llenen completamente con agua un vaso y cubran la boca de éste con una hoja de papel o con un trozo de plástico. Cuiden que no quede nada de aire entre el papel o el plástico y el agua del vaso (figura 1). Inviértanlo con mucho cuidado y describan lo que observan. ¿Cómo lo explican? ¿Qué es lo que sostiene el papel en su lugar? ¿Por qué no se cae el agua?

d. Consigan un frasco de boca ancha, un trozo de vela, un plato hondo y agua. Sitúen el trozo de vela en el centro del plato y agreguen el agua necesaria para cubrir la base de la vela hasta una altura aproximada de 1.5 cm. Enciendan ahora el trozo de vela y cúbranlo con el frasco de boca ancha. Observen lo que sucede cuando la vela se apaga y traten de darle explicación.

2. Al final del libro encontrarás la sección “Qué camino seguir. Test de inteligencias múlti-ples”, donde te proponemos una dinámica grupal para que analices los distintos tipos de inteligencia y un test para conocer tu inclinación vocacional.

Figura 1.¿Por qué el agua del vaso no cae?

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unidad1 modelo cinético molecular

Expansión

Los gases, de forma natural, tienden a expandirse, esto es, a aumentar su volumen por diversas causas. En la actividad que te proponemos, observarás el efecto del aumento de la temperatura en el volumen de un gas.

ActividAd individuAlConsigue un matraz Erlenmeyer de 125 mL, coloca un globo pequeño en la boca del matraz y con la ayuda de un mechero de Bunsen o una lamparita de alcohol calienta el aire conte-nido en el matraz. ¿Qué sucede? ¿Cómo explicas este fenómeno?

El fenómeno que ocurre cuando el volumen de una masa gaseosa aumenta, debido –de forma exclusiva– al incremento de la temperatura, se le deno-mina dilatación, y es ampliamente estudiado. Se ha logrado determinar que por cada 100°C de aumento en la temperatura, el volumen se incrementa aproximadamente en 37%, sea cual sea el tipo de gas del que se trate. Veamos algunos ejemplos de la vida cotidiana.

En las latas de aerosol se advierte que no deben someterse a calentamien-to directo porque la expansión del gas contenido en ellas podría causar la explosión del recipiente.

Los neumáticos de automóvil muestran la dilatación del aire que contienen cuando ha pasado cierto tiempo de rodamiento, porque la fricción con el pavimento causa una elevación de la temperatura que incide tanto en el incremento de la presión como en la expansión del aire en su interior.

Las bolsas de aire instaladas en los automóviles –sistema de seguridad complementario para impedir que en caso de colisión, la cabeza, el cuello y el pecho del conductor golpeen sobre el tablero, el volante o el parabrisas–, funcionan precisamente mediante un proceso de expansión de gases debido a la reacción de la azida de sodio que produce gas nitrógeno.

2NaN3 → 2Na + 3N2

Compresibilidad

Cuando a una masa gaseosa contenida en un recipiente se le incrementa la presión, su volumen siempre disminuye, es decir, se comprime. Los gases admiten una gran compresión, sin embargo, en un punto determi-nado se licuan y pasan al estado líquido. Esta característica se denomina compresibilidad y es aprovechada en mecanismos que funcionan a partir de gases comprimidos.

Las bolsas de aire que se encuentran en los automóviles funcionan de la siguiente manera: cuando se produce la colisión se activa un sen-sor y emite una señal eléctrica que provoca una reacción química en una pequeña fracción de

segundo (aproximadamente 1/20 s). Las bolsas se inflan de manera instantánea para amorti-guar el movimiento del cuerpo hacia el frente y una vez cumplido su cometido se desinflan rápi-damente para evitar que la persona se asfixie.

ToMa NoTa

Compresibilidad.Propiedad de una

sustancia de re-ducir su volumen

por efecto de la presión.

Colisión. Choque de dos

cuerpos.Proceso.

Serie escalonada de operaciones

para la transfor-mación de un

sistema.

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características de los gases tema1

En las máquinas llamadas compresores se disminuye el volumen de una determinada cantidad de aire al aumentar su presión por procedimientos mecánicos. Si eliminamos la presión exterior, el aire comprimido se expande rápidamente. Esta fuerza expansiva proporciona la fuerza motriz a máquinas y herramientas neumáticas, entre las que se encuentran taladros, martillos, limpiadoras de chorro de arena y pistolas de pintura.

Otra aplicación común e importante la encontramos en los motores de combustión interna que funcionan mediante un ciclo de cuatro tiempos (ciclo de Otto): admisión, compresión, expansión y escape. En el primer tiempo (admisión) se abre la válvula de admisión, el pistón baja y el cilindro se llena de aire mezclado con combustible; en la compresión (la segunda instancia), una vez cerrada la válvula de admisión, el pistón sube y compri-me la mezcla de aire-combustible; en el tercer tiempo, expansión, las bujías emiten una chispa eléctrica que incendia la mezcla comprimida, y el calor generado por la combustión de los gases aumenta la presión que se ejerce sobre el pistón. En el cuarto tiempo (escape), se abre la válvula de escape, el pistón se mueve hasta el llamado punto muerto superior y se expulsan los residuos de la combustión (figura 2).

Los gases comprimidos se emplean como propelentes en la producción de los llamados sprays o aerosoles. Su función principal es proporcionar la presión necesaria dentro del sistema para expulsar el contenido del envase. Entre los propelentes empleados con mayor frecuencia se encuentran espe-cialmente diversos hidrocarburos –derivados del metano, etano y propano, y de bajo peso molecular, como butanos y pentanos–, y gases comprimidos como dióxido de carbono, nitrógeno y óxido nitroso. Con frecuencia se emplean mezclas de propelentes para obtener aerosoles que resulten ino-cuos para las personas.

Admisión Compresión Expansión Escape

Figura 2.El ciclo de Otto es un proceso termodinámico que ocurre en un motor de com-bustión interna, y produce energía mecánica a partir de la propiedad de los gases.

Los aerostatos o globos aerostáticos están compuestos por una bolsa que contiene una masa de gas más liviano que el aire. Estas aeronaves aprovechan la disminución de la densidad del aire debido al calentamiento y

ello permite controlar la altura en que flo-tan. Cuando es necesario descender, se dis-minuye la temperatura y por tanto aumenta la densidad del gas.

ToMa NoTa

Sistema. Parte específica del universo que contiene la reacción o el proceso que se está estudiando.

Volumen. Espacio que ocupa un cuerpo.

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unidad1 modelo cinético molecular

Densidad

La densidad (ρ) es una propiedad que poseen todas las sustancias y se define como la cantidad de masa presente en un volumen determinado. Como se define en función de otras magnitudes del si (Sistema Internacional de Unidades), la unidad de medida de la densidad es una unidad derivada. Su expresión mate-mática es la siguiente:

Vmt =

La densidad es una típica magnitud intensiva, es decir, que no depende de la cantidad de materia que compone al cuerpo, sino de su composición. Igual que otras magnitudes intensivas, permite distinguir a una sustancia de cualquier otra.

Los sólidos, generalmente, son más densos que los líquidos y éstos a su vez son más densos que los gases. Por ello, para sólidos y líquidos las unidades de densidad son g/mL (g/cm3), mientras que para los gases, debido a su pequeña densidad, se mide en g/L. En la tabla siguiente podemos observar los valores de densidad para algunos gases, líquidos y sólidos.

Cuadro 1TabLa de deNSidadeS

Sustancia densidad (g/cm3) Sustancia densidad (g/cm3)

Aire 0.0012 Hormigón 2.00

Dióxido de carbono 0.0018 Aluminio 2.7

Butano 0.0026 Hierro, acero 7.8

Etanol 0.81 Latón 8.6

Benceno 0.90 Cobre 8.9

Hielo 0.92 Plata 10.5

Agua 1.0 Plomo 11.3

Agua de mar 1.03 Mercurio 13.6

Sangre 1.06 Oro 19.3

Glicerina 1.26 Platino 2.4

Tomado de: R. Serway. Física para ciencias e ingeniería. Vol. 1. Thomson Paraninfo, 2006.

Cuando la temperatura de un cuerpo aumenta, su densidad disminuye, y viceversa: si disminuye la temperatura, la densidad aumenta. Esto se observa independientemente del estado de agregación; pero en los gases, cuyo volu-men varía de manera apreciable con la temperatura, la variación de la densi-dad es notoria. Un ejemplo de esto es el comportamiento del aire seco que se muestra en la tabla de la página siguiente:

densidad. Magnitud que ex-

presa la relación entre la masa y el

volumen de una sustancia.

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características de los gases tema1

Cuadro 2deNSidad deL aire a PreSióN aTMoSFériCa eSTáNdar

Temperatura (°C) densidad del aire seco (kg/m3)-25 1.423-20 1.395-15 1.368-10 1.342-5 1.3170 1.2925 1.26910 1.24715 1.22520 1.20425 1.18430 1.16535 1.14640 1.127

Difusión

Es un fenómeno muy observado, y se produce cuando una masa gaseosa tien-de a ocupar absolutamente todo el volumen del que dispone.

Los gases son capaces de difundirse o mezclarse libremente, de forma que si varios gases están mezclados en un recipiente, cada uno de ellos ocupa el volumen disponible. Debido a sus bajos valores de densidad, son capaces de mezclarse entre sí en cualquier proporción al difundirse uno en el otro.

Para aprovechar la capacidad de difusión y prevenir accidentes, al gas doméstico (formado principalmente por una mezcla de propano y butano) se le añade un compuesto, llamado etanotiol (C2H5-SH), de la familia de los mercaptanos o tioles, que contiene azufre y posee un olor desagradable carac-terístico. En caso de fuga, al difundirse el gas doméstico hacia la atmósfera, también se desprende el etanotiol y el escape se detecta fácilmente, con lo cual pueden evitarse peligros mayores.

ActividAd grupAl1. Reúnete en grupos de dos o tres personas; investiguen sobre una aplicación cotidiana y

una industrial de las características de los gases que hemos estudiado. Posteriormente, analicen su trabajo con el resto del grupo.

difusión. Movimiento de un material a través de otro.

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unidad1 modelo cinético molecular

2. Imaginen que han sido nombrados parte de un comité científico que busca nuevas aplicaciones de los gases. Describan al menos dos de las ideas que se les ocurran. Si es necesario incluyan diagramas o dibujos.

leenuevos compuestos químicos con gases nobles

Hasta ahora, las “leyes” de la química decretaban que los elementos nobles, que incluyen a los gases helio, neón, argón, kriptón, xenón y radón, y se ubican en la columna derecha de la tabla periódica, tenían un estado especial. Estos elementos se presentan en forma de átomos inertes que no se combinan químicamente con otros, excepto bajo condiciones de energía extrema aplicada para que cedan sus electrones.

Esta observación, descrita hacia finales del siglo xix, se explicó con el desarrollo de la teoría cuántica hace alrededor de 70 años, cuando se descubrió que la inercia de los átomos del gas noble deriva de sus capas elec-trónicas estables y cerradas, que hacen a estos átomos prácticamente impermeables a reaccionar químicamente con otros átomos.

Un desarrollo mayor en cuanto a la “ruptura” de estas capas electrónicas para alcanzar combinaciones molecu-lares se logró en la década de 1960, pero sólo con gran dificultad y con reactivos sumamente potentes, tales como el flúor. Esto limitó los tipos de compuestos que se pueden sintetizar, así como sus aplicaciones potenciales.

Desde entonces, la búsqueda de compuestos nuevos que involucren gases nobles ha continuado y ha representado un desafío científico muy prometedor.

Un avance importante en este campo fue conseguido por el profesor Gerber de la Universidad Hebrea, cuando

predijo, sobre la base de cálculos teóricos, la existencia de una “familia” química nueva de sustancias constitui-das por átomos de gases nobles e hidrocarburos.

Operando sobre la base de las teorías del profesor Gerber, importantes científicos en Finlandia (como Markku Rasanen y sus colaboradores) y en Moscú (como Vladimir Feldman y otros) consiguieron producir los nuevos compuestos en sus laboratorios. El proceso por el que se obtuvieron estos compuestos resultó mucho más sencillo que en intentos anteriores, sin tener que acudir a las técnicas usadas en el pasado que involucraban materiales indeseables y extremada-mente reactivos.

La combinación de átomos de gas noble con molécu-las orgánicas básicas (hidrocarburos) es un hecho que ha despertado gran interés en la comunidad química internacional, y abre el camino para obtener variedades nuevas de derivados químicos utilizando estos gases. Por ejemplo, el gas xenón, que no tiene ningún efecto fisiológico negativo, podría ser usado para producir compuestos anestésicos nuevos. Otro uso posible es la producción de combustibles novedosos, los cuales serían más eficientes energéticamente y menos contaminantes que los que se encuentran en uso. Otras aplicaciones podrían estar en la creación de productos químicos nue-vos para la industria, la medicina o la agricultura, que fueran menos contaminantes para el entorno que los materiales utilizados hoy en día.

Adaptada de: http://www.solociencia.com/quimica/05042806.htm

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características de los gases tema1

ActividAd grupAlPara profundizar en el significado de la lectura, realicen en equipo las siguientes actividades.

a. Escriban el enunciado de la regla del octeto y expresen sus ideas sobre la forma en que se aplica a los gases nobles. Anoten las conclusiones que obtengan.

b. Discutan cómo se explica, a la luz de la regla del octeto, que los gases nobles no formen fácilmente compuestos con otros elementos químicos.

c. Respondan la siguiente pregunta: ¿cuál es la razón de que los gases nobles sean mo-noatómicos, y que otros elementos químicos, como el hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, formen moléculas diatómicas?

d. Investiguen sobre los usos más importantes de cada uno de los gases nobles. Compartan sus hallazgos y conclusiones con el resto del grupo, y con su profesor.