Quimica 2 : serie integral por competencias [3a. edición.] 9786077447948, 6077447943

Table of contents :
Química 2: serie integral por competencias (3a. ed.)
Página Legal
Contenido
Introducción a la asignatura y a tu libro
Competencias genéricas
Competencias disciplinares básicas
Relación de bloques de la asignatura con los aprendizajes claves del nuevo modelo educativo del campo disciplinar de ciencias experimentales
Las secciones de la serie
Bloque 1
Estequiometría
1.1 Mol
Masa molar
Volumen molar
1.2 Ley de la conservación de la materia
Relaciones estequiométricas
1.3 Reactivo limitante y rendimiento de reacción
Bloque 2
Sistemas dispersos
2.1 Materia
Sustancias puras: elementos y compuestos
Mezclas: homogénea y heterogénea
2.2 Sistemas dispersos
Solución
Coloide
Suspensión
2.3 Métodos de separación
Decantación
Filtración
Evaporación
Cristalización
Centrifugación
Imantación
Tamizado
Sublimación
Destilación
2.4 Concentración de las soluciones
Cualitativas
Cuantitativas
Molaridad
2.5 Propiedades de ácidos y bases
Características
pH
Bloque 3
Compuestos del carbono y macromoléculas
3.1 Carbono
Configuración electrónica
Geometría molecular
Hibridación
3.2 Cadenas
Abiertas
Cerradas
3.3 Fórmulas
Condensada
Semidesarrollada
Desarrollada
3.4 Isomería
Cadena
Posición
Función
3.5 Hidrocarburos
Nomenclatura
3.6 Propiedades físicas de hidrocarburos
Estado físico
Solubilidad
3.7 Propiedades químicas de hidrocarburos
Combustión
3.8 Grupos funcionales
Nomenclatura UIQPA
3.9 Macromoléculas naturales
Carbohidratos
Lípidos
Proteínas
Ácidos nucleicos
3.10 Macromoléculas sintéticas
Polímeros
Polímeros de adición
Glosario
Bibliografía
Direcciones electrónicas

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Víctor Manuel Ramírez Regalado

Química Serie integral por competencias

DGB

4a

edición

2

Química 2 Serie integral por competencias

tercera edición ebook 2017

Química 2 Serie integral por competencias Víctor Manuel Ramírez Regalado

tercera edición ebook 2017

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teléfonos: Renacimiento # 180, Col. San Juan Tlihuaca, Azcapotzalco, 02400, Ciudad de México

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Dirección editorial: Javier Enrique Callejas Coordinación editorial: Alma Sámano Castillo Revisores técnicos: María Isabel Flores Reyes y Víctor Rogelio Barrales Guadarrama Diseño de interiores: Perla Alejandra López Romo/Juan Bernardo Rosado Solís Diseño de portada: Juan Bernardo Rosado Solís Supervisión de producción editorial: Miguel Ángel Morales Verdugo Diagramación: Perla Alejandra López Romo Ilustraciones: Perla Alejandra López Romo, Carlos Enrique León Chávez, Juan Luis Mendoza Monroy Fotografías: Thinkstock

Química 2 Serie integral por competencias (DGB) Derechos reservados: ©2014, 2016, 2017, Víctor Manuel Ramírez Regalado ©2014, 2016, 2017, Grupo Editorial Patria, S.A. de C.V.

ISBN: 978-607-744-794-8 (Tercera edición) ISBN: 978-607-438-481-7 (Segunda edición) ISBN: 978-607-438-007-9 (Primera edición)

Renacimiento 180, Col. San Juan Tlihuaca, Delegación Azcapotzalco, Código Postal 02400, Cd. de México Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana Registro núm. 43

Queda prohibida la reproducción o transmisión total o parcial del contenido de la presente obra en cualesquiera formas, sean electrónicas o mecánicas, sin el consentimiento previo y por escrito del editor. Impreso en México / Printed in Mexico Primera edición: 2014 Segunda edición: 2016 Tercera edición: 2017

fax pedidos: 5354 9109 (0155) 5354 9102

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Introducción a la asignatura y a tu libro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII Competencias genéricas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX Competencias disciplinares básicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XII Relación de bloques de la asignatura con los aprendizajes claves del nuevo modelo educativo del campo disciplinar de ciencias experimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIII Las secciones de la serie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIV

Contenido

BLOQUE

1

BLOQUE

2

Estequiometría

Sistemas dispersos

1.1 Mol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6  Masa molar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9  Volumen molar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2 Ley de la conservación de la materia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13  Relaciones estequiométricas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.3 Reactivo limitante y rendimiento de reacción. . . . . . . . . . 22

2.1 Materia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44   Sustancias puras: elementos y compuestos. . . . . . . . . . 44   Mezclas: homogénea y heterogénea. . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.2  Sistemas dispersos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52  Solución. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55  Coloide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59  Suspensión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 2.3  Métodos de separación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69  Decantación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69  Filtración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71  Evaporación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72  Cristalización. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72  Centrifugación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72  Imantación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73  Tamizado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73  Sublimación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75  Destilación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 2.4  Concentración de las soluciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78  Cualitativas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80  Cuantitativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82  Molaridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 2.5  Propiedades de ácidos y bases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87  Características. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87  pH. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 V

Contenido

BLOQUE

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

3.1 Carbono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112  Configuración electrónica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113  Geometría molecular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114  Hibridación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 3.2 Cadenas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121  Abiertas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121  Cerradas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 3.3 Fórmulas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125  Condensada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125  Semidesarrollada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125  Desarrollada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 3.4 Isomería . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126  Cadena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126  Posición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127  Función . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 3.5 Hidrocarburos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129  Nomenclatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 3.6 Propiedades físicas de hidrocarburos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148  Estado físico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148  Solubilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 3.7 Propiedades químicas de hidrocarburos. . . . . . . . . . . . . . . . 148  Combustión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 3.8 Grupos funcionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153  Nomenclatura uiqpa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 3.9 Macromoléculas naturales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172  Carbohidratos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172  Lípidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177  Proteínas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180  Ácidos nucleicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 3.10 Macromoléculas sintéticas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190  Polímeros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190   Polímeros de adición. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

Glosario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 Bibliografía. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 Direcciones electrónicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

VI

Grupo Editorial Patria ®

Introducción a la asignatura y a tu libro

Química 2  

Víctor Manuel Ramírez Regalado

Química 2 pertenece a la Serie Integral por competencias de Grupo Editorial Patria y está completamente apegado a los contenidos correspondientes a la asignatura del bachillera­ to general. Pertenece al campo de conocimiento de las ciencias experimentales. Además se ha realizado con base en un innovador diseño a todo color que facilita la lectura, permi­ te la rápida identificación de los temas de estudio, su localización inmediata y el uso ópti­ mo de información de apoyo. Esta nueva edición contiene una nueva estructura que incluye, entre otros, instrumentos de evaluación más amplios; coevaluación y lista de co­ tejo sobre actividades a realizar. El estudio de la química es fundamental para el ser humano, ya que se aplica en todo lo que le rodea. Por ello, en Química 2 se pretende que el estudiante conozca y comprenda los fenómenos químicos y utilice su creatividad en la búsqueda de la conservación o me­ joramiento de nuestro entorno. Este libro se ha organizado de acuerdo con el enfoque pedagógico actual por competen­ cias, que busca la participación activa del alumno en la construcción de nuevos conoci­ mientos, propiciando la observación, la reflexión y la experimentación. Se encontrarán las competencias genéricas y disciplinares relativas a Química 2 integra­ das en tres bloques de aprendizaje, que buscan desarrollar unidades de competencia es­ pecíficas, con el objeto de facilitar la formulación y/o resolución de situaciones o problemas de manera integral en cada uno, y de garantizar el desarrollo gradual y sucesi­ vo de distintos cono­cimientos, habilidades, valores y actitudes, en el estudiante. En el Bloque 1 se reconoce la importancia del concepto de mol y se aplica en la cuantifi­ cación de los procesos químicos; se com­prende la utilidad de los sistemas dispersos, ya que en la vida cotidiana entramos en contacto diariamente con muchos de ellos, por lo cual se hace indispensable tener presentes sus propiedades y características fundamenta­ les para manejarlos adecuadamente; en el Bloque 3 se da una amplia concepción y valora­ ción de las propiedades de los compuestos derivados del carbono, fundamentalmente de los hidrocarburos y los principales grupos funcionales, destacando su impacto en el de­

VII

Introducción a la asignatura y a tu libro

sarrollo económico y social de nuestro país; también en este bloque se identifica la impor­ tancia de las macromoléculas naturales y sintéticas, poniendo un énfasis especial en el cuidado del medio ambiente y el desarrollo sustentable. Es importante destacar que la asignatura de Química 2 contribuye ampliamente al desa­ rrollo de las competencias genéricas que conforman el perfil de egreso del bachiller, cuan­ do trabaja en forma colaborativa al aportar puntos de vista distintos o proponer formas alternas de solucionar un problema; participa con responsabilidad en la sociedad al utilizar sus conocimientos en la solución de diversos problemas considerando el cuidado del me­ dio ambiente y el desarrollo sustentable. Víctor Manuel Ramírez Regalado

VIII

Grupo Editorial Patria ®

Competencias genéricas

CLAVE

Se autodetermina y cuida de sí.

1. Se conoce y valora a sí mismo y aborda problemas y retos teniendo en cuenta los objetivos que persigue. 1.1 Enfrenta las dificultades que se le presentan y es consciente de sus valores, fortalezas y debilidades.

CG1.1

1.2 Identifica sus emociones, las maneja de manera constructiva y reconoce la necesidad de solicitar apoyo ante una situación que lo rebase.

CG1.2

1.3 Elige alternativas y cursos de acción con base en criterios sustentados y en el marco de un proyecto de vida.

CG1.3

1.4 Analiza críticamente los factores que influyen en su toma de decisiones.

CG1.4

1.5 Asume las consecuencias de sus comportamientos y decisiones.

CG1.5

1.6 Administra los recursos disponibles teniendo en cuenta las restricciones para el logro de sus metas.

CG1.6

2. Es sensible al arte y participa en la apreciación e interpretación de sus expresiones en distintos géneros. 2.1 Valora el arte como manifestación de la belleza y expresión de ideas, sensaciones y emociones.

CG2.1

2.2 Experimenta el arte como un hecho histórico compartido que permite la comunicación entre individuos y culturas en el tiempo y el espacio, a la vez que desarrolla un sentido de identidad.

CG2.2

2.3 Participa en prácticas relacionadas con el arte.

CG2.3

3. Elige y practica estilos de vida saludables. 3.1 Reconoce la actividad física como un medio para su desarrollo físico, mental y social.

CG3.1

3.2 Toma decisiones a partir de la valoración de las consecuencias de distintos hábitos de consumo y conductas de riesgo.

CG3.2

3.3 Cultiva relaciones interpersonales que contribuyen a su desarrollo humano y el de quienes lo rodean.

CG3.3

Se expresa y comunica.

4. Escucha, interpreta y emite mensajes pertinentes en distintos contextos mediante la utilización de medios, códigos y herramientas apropiados. 4.1 Expresa ideas y conceptos mediante representaciones lingüísticas, matemáticas o gráficas.

CG4.1

4.2 Aplica distintas estrategias comunicativas según quienes sean sus interlocutores, el contexto en el que se encuentra y los objetivos que persigue.

CG4.2

4.3 Identifica las ideas clave en un texto o discurso oral e infiere conclusiones a partir de ellas.

CG4.3

4.4 Se comunica en una segunda lengua en situaciones cotidianas.

CG4.4

4.5 Maneja las tecnologías de la información y la comunicación para obtener información y expresar ideas.

CG4.5

Piensa crítica y reflexivamente.

5. Desarrolla innovaciones y propone soluciones a problemas a partir de métodos establecidos. 5.1 Sigue instrucciones y procedimientos de manera reflexiva, comprendiendo cómo cada uno de sus pasos contribuye al alcance de un objetivo.

CG5.1

5.2 Ordena información de acuerdo a categorías, jerarquías y relaciones.

CG5.2

5.3 Identifica los sistemas y reglas o principios medulares que subyacen a una serie de fenómenos.

CG5.3

5.4 Construye hipótesis y diseña y aplica modelos para probar su validez.

CG5.4

IX

Competencias genéricas

Competencias genéricas

CLAVE

5.5 Sintetiza evidencias obtenidas mediante la experimentación para producir conclusiones y formular nuevas preguntas.

CG 5. 5

5.6 Utiliza las tecnologías de la información y comunicación para procesar e interpretar información.

CG 5. 6

6. Sustenta una postura personal sobre temas de interés y relevancia general, considerando otros puntos de vista de manera crítica y reflexiva. 6.1 Elige las fuentes de información más relevantes para un propósito específico y discrimina entre ellas de acuerdo a su relevancia y confiabilidad.

CG 6. 1

6.2 Evalúa argumentos y opiniones e identifica prejuicios y falacias.

CG 6. 2

6.3 Reconoce los propios prejuicios, modifica sus puntos de vista al conocer nuevas evidencias, e integra nuevos conocimientos y perspectivas al acervo con el que cuenta.

CG 6. 3

6.4 Estructura ideas y argumentos de manera clara, coherente y sintética.

CG 6. 4

Aprende de forma autónoma.

7. Aprende por iniciativa e interés propio a lo largo de la vida. 7.1 Define metas y da seguimiento a sus procesos de construcción de conocimiento.

CG 7. 1

7.2 Identifica las actividades que le resultan de menor y mayor interés y dificultad, reconociendo y controlando sus reacciones frente a retos y obstáculos.

CG 7. 2

7.3 Articula saberes de diversos campos y establece relaciones entre ellos y su vida cotidiana.

CG 7. 3

Trabaja en forma colaborativa.

8. Participa y colabora de manera efectiva en equipos diversos. 8.1 Propone maneras de solucionar un problema o desarrollar un proyecto en equipo, definiendo un curso de acción con pasos específicos.

CG 8. 1

8.2 Aporta puntos de vista con apertura y considera los de otras personas de manera reflexiva.

CG 8. 2

8.3 Asume una actitud constructiva, congruente con los conocimientos y habilidades con los que cuenta dentro de distintos equipos de trabajo.

CG 8. 3

Participa con responsabilidad en la sociedad.

9. Participa con una conciencia cívica y ética en la vida de su comunidad, región, México y el mundo.

X

9.1 Privilegia el diálogo como mecanismo para la solución de conflictos.

CG 9. 1

9.2 Toma decisiones a fin de contribuir a la equidad, bienestar y desarrollo democrático de la sociedad.

CG 9. 2

9.3 Conoce sus derechos y obligaciones como mexicano y miembro de distintas comunidades e instituciones, y reconoce el valor de la participación como herramienta para ejercerlos.

CG 9. 3

9.4 Contribuye a alcanzar un equilibrio entre el interés y bienestar individual y el interés general de la sociedad.

CG 9. 4

9.5 Actúa de manera propositiva frente a fenómenos de la sociedad y se mantiene informado.

CG 9. 5

9.6 Advierte que los fenómenos que se desarrollan en los ámbitos local, nacional e internacional ocurren dentro de un contexto global interdependiente.

CG 9. 6

Grupo Editorial Patria ®

Competencias genéricas

CLAVE

10. Mantiene una actitud respetuosa hacia la interculturalidad y la diversidad de creencias, valores, ideas y prácticas sociales. 10.1 Reconoce que la diversidad tiene lugar en un espacio democrático de igualdad de dignidad y derechos de todas las personas, y rechaza toda forma de discriminación.

CG10.1

10.2 Dialoga y aprende de personas con distintos puntos de vista y tradiciones culturales mediante la ubicación de sus propias circunstancias en un contexto más amplio.

CG10.2

10.3 Asume que el respeto de las diferencias es el principio de integración y convivencia en los contextos local, nacional e internacional.

CG10.3

11. Contribuye al desarrollo sustentable de manera crítica, con acciones responsables. 11.1 Asume una actitud que favorece la solución de problemas ambientales en los ámbitos local, nacional e internacional.

CG11.1

11.2 Reconoce y comprende las implicaciones biológicas, económicas, políticas y sociales del daño ambiental en un contexto global interdependiente.

CG11.2

11.3 Contribuye al alcance de un equilibrio entre los intereses de corto y largo plazo con relación al ambiente.

CG11.3

XI

Competencias disciplinares básicas

Competencias disciplinares básicas

CLAVE

Ciencias experimentales

XII

1. Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos.

CD B E 1

2. Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas.

CD B E 2

3. Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas.

CD B E 3

4. Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter cientifico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes.

CD B E 4

5. Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones.

CD B E 5

6. Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas.

CD B E 6

7. Hace explícitas las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos.

CD B E 7

8. Explica el funcionamiento de máquinas de uso común a partir de nociones científicas.

CD B E 8

9. Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesidades o demostrar principios científicos.

CD B E 9

10. Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos.

CD B E 10

11. Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas del impacto ambiental.

CD B E 11

12. Decide sobre el cuidado de su salud a partir del conocimiento de su cuerpo, sus procesos vitales y el entorno al que pertenece.

CD B E 12

13. Relaciona los niveles de la organización química, biológica, física y ecológica de los sistemas vivos.

CD B E 13

14. Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana.

CD B E 14

Grupo Editorial Patria ®

Relación de bloques de la asignatura con los aprendizajes claves del nuevo modelo educativo del campo disciplinar de ciencias experimentales Eje

Componente Evidencia, explicación y modelos

Continuidad, equilibrio y cambio

Escala y medición

Contenido central

Bloque

 Modelos para compuestos iónicos  Modelos para compuestos covalentes  El concepto de cambio químico  La ecuación química y su lenguaje  Análisis y síntesis químicas

I

 La energía se conserva  Teoría cinético-molecular  La primera ley  Electromagnetismo Sistemas e interacciones

 Electricidad en los seres vivos

III

 Generación y distribución de la energía eléctrica  Procesos de cambios en el movimiento  Transformaciones de la energía  Conservación de energía Ciencias físico-químicas

 Flujos de materia  Flujos de energía  Reconocimientos de sonidos (tono y timbre)  Luz visible y espectro no visible

Estructura, orden y organización

 Fuerzas a distancia

I

 Átomos, moléculas e iones

II

 Los átomos se conservan

III

 Modelo atómico molecular, modelo periódico  El enlace químico  Forma molecular y geometría: química tridimensional  Relacion estructura-propiedades-función

Evidencias, explicación y modelos

Escala y medición

 Campo  Representación matemática

 Fenómenos físicos del macro y micro universo

XIII

Las secciones de la serie Al inicio del bloque 1. Propósito Se trata del objetivo educativo que se pretende alcanzar con el bloque. 2. Conocimientos Es el conjunto de saberes disciplinares desarrollados de forma ordenada y congruente con los fines formativos y académicos de tu libro. 3. Aprendizajes esperados Son los que se espera que logre el estudiante al terminar el semestre, al realizar actividades de forma concreta, precisa y visual en situaciones de la vida personal, escolar y social, que a su vez están relacionados directamente con el “saber”, el “saber hacer”, el “saber ser” y el “saber convivir”.

BLOQUE

1

1

Evaluación diagnóstica

1.

Propósito Competencias disciplinares básicas

# horas

2

6

Competencias genéricas

2.

Conocimientos

3.

4.

3

5. Aprendizajes esperados

4. Habilidades Hacen referencia al “saber hacer”, mediante acciones que fomenten el talento, la pericia o la aptitud para desarrollar tareas específicas con eficiencia y eficacia.

Habilidades

Actitudes

4

5

y a su vez facilitan procesos de sensibilización y colaboración para favorecer el proceso afectivo y emocional.

5. Actitudes Son predisposiciones aprendidas a responder de un modo consistente a un objeto social, que comprenden el “saber ser” y el “saber convivir”. Sirven para atender un propósito, una situación o una actividad,

6. Evaluación diagnóstica Recuerdas tus conocimientos previos, mediante preguntas abiertas o de opción múltiple al inicio de cada bloque, lo cual te permite identificar tus capacidades cognitivas en relación con las temáticas a desarrollar en la obra.

Características constantes a lo largo de los bloques de la serie Notarás que en algunos temas importantes aparecen una serie de iconos acompañando a los títulos; éstos te indican la existencia de materiales auxiliares para tu aprendizaje, los cuales puedes consultar o descargar de SALI, el sitio que Editorial Patria ha desarrollado para ti.

Recursos en línea Videos para reforzar temas difíciles

7. Situación didáctica Se integra una situación por resolver que te posibilita la adquisición de conocimiento y que te permite fortalecer el desarrollo de competencias. 8. Secuencia didáctica Plantea secuencias para que puedas realizar la actividad, a fin de que resuelvas la problemática o situación. 9. Rúbrica Es la forma de valorar de manera práctica y concreta el logro de tus conocimientos, habilidades, actitudes y aprendizajes esperados.

Documentos adicionales para impresión

1

7

Situación didáctica

8

Secuencia didáctica

9

Rúbrica

Audios para reforzar temas y pronunciación

Recursos docentes Guías para el docente Estrategias docentes

4

A lo largo del bloque 10. Actividad transversal (social, ambiental, de salud o de habilidad lectora) Éstas favorecen tu formación integral, articulando saberes disciplinares en los contextos sociales, ambientales, culturales, éticos y de salud. 11. Actividad formativa con TIC Constituyen un incentivo para utilizar los recursos tecnológicos, con la finalidad de construir aprendizaje significativo.

Grupo Editorial Patria ® Comprensión lectora

10

12

12. Comprensión lectora Se integran textos para fomentar la comprensión lectora y la lecto-escritura de diversos temas relacionados con los contenidos desarrollados en cada bloque.

Actividad transversal

Actividad formativa

11

13

Actividad formativa con TIC

13. Actividades formativas Éstas fortalecen los avances y el desarrollo de competencias, mismas que permiten reconocer las dificultades que se presenten durante el proceso de aprendizaje, permitiendo mejorar, corregir o reajustar su progreso.

Figura 1.1

5

Recursos gráficos     

Líneas de tiempo Esquemas Mapas conceptuales Tablas Organizadores gráficos

Talleres y actividades experimentales Brindan experiencias de aprendizaje, además de estimular y fomentar el aprendizaje cooperativo durante el trabajo en equipo.

Ejercicios

Ejemplos

Consolidan los conocimientos y propician seguridad y destreza durante el aprendizaje.

Tienen la finalidad de propiciar y facilitar tu aprendizaje.

Al final del bloque 14 14. Evaluación sumativa Se encuentra al final del bloque y en ella se integran evidencias de producto, conocimiento y desempeño, mismas que reflejan los resultados de los aprendizajes esperados.

1

Grupo Editorial Patria ®

Evaluación sumativa

Autoevaluación Nombre del estudiante:

¿Para qué me sirve la autoevaluación?

1.

Las evidencias son rúbricas, listas de cotejo y guías de observación. 15. Autoevaluación y coevaluación Al final de tu libro encontrarás instrumentos que te ayudarán a reconocer el logro de los aprendizajes esperados. Considera los resultados para emprender acciones de mejora en tu formación académica y en el desarrollo de competencias.

15

a.

( )

b.

( )

c.

( ) ( )

Grupo:

( )

Instrucciones:

Fecha de aplicación:

1. 2.

( )

Conocimientos

2.

Logrado Sí No

Considero que está en proceso porque…

3.

¿Qué aprendí durante el desarrollo de los bloques?

¿Qué debo mejorar?

Mis conclusiones son:

44

45

En las páginas finales del libro

Portafolio de evidencias

Para los estudiantes que desean saber más se agrega una breve bibliografía y direcciones electrónicas recomendadas, que tienen como finalidad fortalecer el autoaprendizaje.

En esta sección vas a integrar todos los trabajos que se realizaron durante el desarrollo del bloque, mismos que responderán a los criterios previamente establecidos en clase.

BLOQUE

1

Estequiometría Propósito Aplica la noción de mol en la cuantificación de procesos químicos que tienen un impacto económico, ambiental y social.

20 horas

Conocimientos 1.1 Mol   Masa molar   Volumen molar 1.2 Ley de la conservación de la materia   Relaciones estequiométricas 1.3 Reactivo limitante y rendimiento de reacción

Aprendizajes esperados  Utiliza los conceptos de mol y la ley de la conservación de la materia, argumentando el uso de la estequiometría como herramienta útil para la sustentabilidad de procesos industriales, ecológicos, entre otros.  Interpreta reacciones químicas de procesos presentes en su entorno, resolviendo problemas en los que interviene reactivos limitantes, reactivos impuros y cuyo rendimiento sea incompleto, para regular aspectos económicos y ecológicos.

Habilidades  Describe al mol como la unidad básica del Sistema Internacional (SI) para medir la cantidad de sustancia.  Relaciona los conceptos de mol, masa atómica y volumen molar en la solución de problemas.  Calcula masas moleculares a partir de las masas atómicas.  Reconoce la ley de la conservación de la materia en cálculos estequiométricos de reacciones que intervienen en el calentamiento global.  Calcula el rendimiento teórico de una reacción química con base al reactivo limitante.

Evaluación diagnóstica Competencias genéricas 1.6 Administra los recursos disponibles teniendo en cuenta las restricciones para el logro de sus metas. 4.5 Maneja las tecnologías de la información y la comunicación para obtener información y expresar ideas. 8.2 Aporta puntos de vida con apertura y considera los de otras personas de manera reflexiva.

Competencias disciplinares básicas 3. Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas. 4. Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. 7. Hace explícitas las nociones cientifícas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos. 11. Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de impacto ambiental.

Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el recuadro de la derecha. 1. Parte de la química que estudia las relaciones de masa en las reacciones químicas:   a)  Termodinámica

b) Cinética química

  c)  Estequiometría

d) Equilibrio químico

2. El enunciado “cuando dos o más elementos se unen para formar un mismo compuesto, lo hacen siempre en una relación ponderal constante”, se refiere a la ley de:   a)  Proust

b) Dalton

c) Lavoisier

d) Richter

3. En el fosfato de calcio (Ca3(PO4)2), el porcentaje en peso del fósforo es de:   a)  44.8%

b) 20.0%

c) 36%

d) 68.4%

4. El valor 6.023 3 1023 corresponde al número de:   a)  Charles

b) Avogadro

c) Boyle

d) Gay-Lussac

5. Un compuesto contiene 36.5% de Na, 0.8% de H, 24.6% de P y 38.1% de O. La fórmula más simple del compuesto es:   a)  Na2HPO3

b) NaH2PO4

c) NaPO3 • H2O

d) Na2P2O3 • 5H2O

SO3 se utilizan 16 g de SO2 6. En la reacción SO2 1 O2 y se producen 20 g de SO3. ¿Cuántos gramos de oxígeno se necesitan en la reacción?   a)  32 g

b) 8 g

c) 4 g

d) 64 g

7. ¿Cuántas moles hay en 100 g del compuesto CO(NH2)2?   a)  3.01

b) 1.66

c) 2.37

d) 1.67

8. Es un contaminante en el aire:

Actitudes  Se relaciona con los demás de forma colaborativa mostrando disposición al trabajo metódico y organizado.  Muestra una conciencia social ante las situaciones de su entorno.  Muestra un comportamiento propositivo en beneficio de la sociedad o del entorno.  Escucha y respeta diferentes puntos de vista promoviendo el bien común.

  a)  O2

b) N2

c) CO

d) H2O

C2H4O se obtienen 180 g de 9. En la reacción C2H4 1 O2 óxido de etileno a partir de 120 g de eteno (C2H4). ¿Cuál es el porcentaje de rendimiento de la reacción?   a)  73.5%

b) 99.7%

c) 80.6%

d) 95.5%

1

Estequiometría



Situación didáctica

¿Cómo identificas el reactivo limitante de una reacción química?

(dos tazas de harina por pastel), 6 huevos para 3 pasteles (dos huevos por pastel) y hay azúcar suficiente para 9 pasteles (una por pastel). Las existencias de polvo de hornear, agua y aceite alcanzan para 10 pasteles (confírmalo con la receta). No obstante, no podemos hacer 7, 9 o 10 pasteles con los ingredientes disponibles. ¿Por qué?

Para contestar esta pregunta es necesario presentar un ejemplo cotidiano. Para hornear un pastel tenemos la siguiente receta:

Comparando la receta propuesta con la existencia en la despensa tenemos el siguiente cuadro comparativo:

2 tazas de harina 2 huevos 1 taza de azúcar 1 ½ cucharadas de polvo de hornear 1 taza de agua 1/3 de taza de aceite

Tenemos sólo seis huevos, que son apenas suficientes para hacer tres pasteles. La existencia de huevos limita el número de pasteles que podemos hacer. Las cantidades que sobran de los otros reacti­ vos (harina, azúcar, polvo de hornear, agua, aceite) simplemente se quedan sin usar. Si queremos hornear más pasteles tendremos que comprar más huevos.

Suponiendo que en la cocina tenemos únicamente 16 tazas de hari­ na, 6 huevos, 9 tazas de azúcar, 15 cucharadas de polvo de hornear, 10 tazas de agua y 3 1/3 tazas de aceite, ¿cuántos pasteles podemos hornear?

En términos químicos, en nuestro ejemplo de elaboración de pas­ teles los huevos serían el reactivo limitante. El reactivo limitante es la sustancia de partida que se agota primero cuando ocurre una re­ acción química, y controla la cantidad de producto que puede for­ marse.

Al comparar lo que tenemos en la despensa de la cocina con la receta propuesta, tenemos que: 16 tazas de harina alcanzan para 8 pasteles Cantidad de la receta

Materia prima o ingredientes

Existencia en despensa

Número de pasteles que se formarían

2

Tazas de harina

16

8

2

Huevos

6

3

1

Taza de azúcar

9

9

1 1/2

Cucharada de polvo de hornear

15

10

1

Taza de agua

10

10

/

Taza de aceite

3 1/3

10

1 3

Forman 1 pastel



Secuencia didáctica

A continuación se listan una serie de acciones que debes seguir para contestar la pregunta central. Es importante que reflexiones, seas claro y objetivo a fin de que la información que obtuviste sea útil al reconocer tus debilidades para superarlas y tus fortalezas para lograr los objetivos planteados. 1. Intégrate a un equipo de compañeros para que presenten sus respuestas en plenaria y analicen las formas de resolver los ejercicios anteriores. 2. Diseña otro ejemplo semejante al de la situación didáctica de los pasteles, pero suponiendo que se cuenta con 26 huevos. 3. ¿Cuántos pasteles pueden hornearse si los demás ingredientes están presentes en las mismas cantidades? 4

4. ¿Cuál es el ingrediente que limita el número de pasteles que se pueden hornear? ¿Es decir, cuál es el reactivo limitante? 5. Elabora un reporte donde expreses de manera objetiva tus re­ flexiones sobre el concepto de reactivo limitante.

Grupo Editorial Patria ®

Rúbrica Con el propósito de revisar si adquiriste los conocimientos del bloque, resuelve el siguiente problema cotidiano: Un restaurante prepara almuerzos para llevar. Cada paquete com­ pleto requiere: 1 sándwich, 3 pepinillos, 2 servilletas de papel, 1 en­ vase de leche y 1 recipiente. El inventario para hoy es: 60 sándwiches, 102 pepinillos, 38 servilletas, 41 envases de leche y 66 recipientes. a) Al preparar los almuerzos para llevar, ¿qué componente se agotará primero? b) ¿Qué componente es el reactivo limitante? c) ¿Cuántos almuerzos completos es posible preparar? Instrucciones: Con la orientación del maestro organicen un debate sobre la impor­ tancia de conocer el reactivo limitante de una reacción química. Intégrate a un equipo de compañeros para que presenten sus res­ puestas en plenaria y analicen el punto central de esta situación di­ dáctica. Autoevaluación 1. ¿Leí todo el contenido del bloque? 2. ¿Puedo resolver la problemática que se me presente en un pro­ blema químico diferente, respecto al tema de reactivo limitante? 3. Establezco las conclusiones correspondientes y elaboro un reporte en donde expreso de manera clara y objetiva mis re­ flexiones sobre esta actividad.



 

  Portafolio de evidencias

Pasos para hacer el portafolio de evidencias. 1. En una computadora crea una carpeta con el nombre Química2. 2. Crea un archivo en un procesador de textos con tu nombre_Química2. 3. Crea dentro de la carpeta Química2 otra carpeta con tu nombre_Bloque1. 4. Dentro de la carpeta Bloque1 guarda las evidencias que indique tu profesor. 5. Envía los archivos por correo electrónico a tu profesor.

5

1  

Estequiometría

 1.1 Mol

Ejemplo

En el laboratorio no es posible trabajar con partículas químicas individuales, por lo que se hizo necesario establecer una unidad que permitiera relacionar la masa de cualquier sustancia con su número real de partículas. Así para establecer esa relación se emplea el mol, que es una unidad básica del Sistema Internacional, donde se defi­ Figura 1.1 Un montón de manzanas. ne como la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tanto entidades elementales como átomos en 0.012 kg de carbono 12. Así, al usar el mol debemos especificar las entidades elementales, que pueden ser átomos, moléculas, iones, electrones u otras partículas o grupos específicos de tales par­tículas. El término mol proviene del latín y significa pila o montón, por lo que, en términos comunes, se puede decir que un mol es un montón de partículas (u, unidades correspondientes). Numéri­ camente, un mol se determina así: 
1 g 5 6.023 3 1023. Por razones históricas, este factor de conversión entre unidades recibe el nombre de número de Avogadro y se representa por NA: NA 5 6.023 3 1023 partículas 1 mol de átomos 5 6.023 3 1023 átomos 1 mol de moléculas = 6.023 3 1023 moléculas 1 mol de electrones = 6.023 3 1023 electrones Es decir, un mol de cualquier sustancia equivale a su masa molecular expresada en gramos. Equivale a 6.023 3 1023 moléculas. Es más común utilizar el concepto mol en lugar de peso molecu­ lar gramo. Volumen molecular gramo. Se define como el volumen que ocupa un mol de cualquier gas a 0 °C y 1 atmósfera, o en otras palabras, un volumen que es igual a 22.4 litros.

1 mol de H2 = 2 g = 6.023 3 1023 moléculas = 22.4 L 2 moles de H2 = 4 g = 12.046 3 1023 moléculas = 44.8 L Lectura

¿Por qué las ollas se llenan de sarro? El agua que obtenemos de la llave rara vez es pura. Las compañías que suministran este líquido le agregan sustancias químicas cuando le dan tratamiento. El agua misma disuelve, sobre todo, los sulfatos y carbo­ natos de calcio o magnesio presentes en el suelo. Estas sustancias salinas son las que hacen que el agua dura forme sarro en ollas, plan­ chas de vapor, tuberías de agua caliente y alrededor de los orificios de las regaderas. Cuando pones a hervir agua en una olla, parte de las sales de magne­ sio y calcio que contiene esa agua se cristalizan en las áreas más ca­ lientes del recipiente y se adhieren al metal. Esto sucede porque las sales que contiene el agua se concentran conforme ésta se evapora. Si llenas la olla al máximo, agregas mayor cantidad de sustancias salinas y el agua se satura de sales cristalizables. Por esta razón, al llenar fre­ cuentemente una olla con agua y hervirla una y otra vez, se forma una gruesa capa de óxido en su interior.

Unidades químicas Átomo-gramo. Se define como el peso atómico o masa atómica de un elemento expresada en gramos. Ejemplo

Un átomo gramo de sodio (Na) pesa 23 g y contiene 6.023 3 1023 átomos de sodio. Un átomo gramo de carbono (C) pesa 12 g y contiene 6.023 3 1023 átomos de carbono. Molécula-gramo. Se define como el peso molecular de una sustancia (elemento o compuesto) expresado en gramos. Ejemplo

Un mol de monóxido de carbono (CO) pesa 28 g y contiene 6.023 3 1023 moléculas del mismo. Un mol de agua (H2O) pesa 18 g y contiene 6.023 3 1023 moléculas del mismo. Un mol de azufre (S) pesa 32 g y contiene 6.023 3 1023 átomos del mismo. 1 mol de átomos del isótopo 12 23 C = 6.023  10 átomos

Figura 1.2 Número de Avogrado (NA = 6.023 3 1023).

6

12 gramos

Figura 1.3 Equivalencia mol/gramo de un átomo de carbono.

Técnicas matemáticas Las operaciones matemáticas utilizadas en los cálculos químicos emplean masas molares para establecer relaciones entre masa y

Grupo Editorial Patria ® moles, y relaciones molares para ecuaciones en que intervienen va­ rias especies. Como una analogía a los problemas de estequiome­ tría consideremos la siguiente relación: el peso promedio de una gallina es de 2.250 kg. 2.250 kg / 1 gallina Esta relación se puede usar como un factor para contar gallinas con base en su peso. ¿Cuántas gallinas hay en 45 kg? Empleando el peso de una gallina como factor de conversión tenemos:

(

)

1 gallina = 20 gallinas 2.250 kg Considerando la “fórmula” para una gallina, deducimos que hay dos patas por cada ave. (45 kg)

2 patas 1 gallina Esta relación nos sirve para calcular, por ejemplo, cuántas patas hay en 45 kg de gallinas. Primero se usa el peso para hallar el número de gallinas y después la relación para encontrar el número de patas.

(

)(

)

1 gallina 2 patas = 40 patas (45 kg) 2.250 kg 1 gallina Y podemos averiguar más. Por ejemplo, si conocemos el peso pro­ medio de una pata, podemos determinar el peso de cierto número de patas dado un peso de gallinas. Suponiendo que una pata pesa 0.200 kg, entonces: 0.200 kg 1 pata Si usamos esta relación junto con los factores mencionados ante­ riormente, podemos convertir el peso de las gallinas en peso de patas. ¿Cuántos kilogramos de patas hay en 45 kilogramos de galli­ nas? Primero calculamos el número de gallinas, después el número de patas, y finalmente el peso de las patas.

(

)(

)(

)

1 gallina 2 patas 0.200 kg = 8.0 kg 2.250 kg 1 gallina 1 pata Este tipo de razonamientos se siguen en el cálculo estequiométri­ co, excepto que se trabaja con masas y moles, no con gallinas. (45 kg de gallina)

Lectura

¿Por qué el detergente blanquea más la ropa blanca? Con el tiempo, la mayoría de las telas blancas adquieren un tono ama­ rillento. Para combatir este proceso natural, muchos detergentes con­ tienen lo que los fabricantes llaman blanqueadores ópticos y químicos. Los blanqueadores ópticos, que se conocen como abrillantadores de telas, absorben la luz ultravioleta invisible y emiten luz azul visible. Esto

contrarresta cualquier tono amarillento de la tela y la vuelve blanca. Durante el día, la luz que emiten las telas tratadas con blanqueadores ópticos tienen un aspecto más brillante, y por la noche, en una habita­ ción iluminada sólo con luz ultravioleta, el blanqueador óptico hace que las prendas resplandezcan levemente y evoquen el efecto sutil de una escena de teatro negro. Por otra parte, los blanqueadores químicos quitan las manchas y abri­ llantan el color de las telas blancas. Estos blanqueadores adicionan oxígeno o cloro a las sustancias limpiadoras (blanqueador oxidante), o bien, quitan el oxígeno directamente a las manchas (blanqueador re­ ductor). Así, esta reacción química convierte los agentes colorantes, que ensucian, en sustancias incoloras. Los detergentes con blanquea­ dores químicos suelen tener la cantidad adecuada de sustancias para quitar las manchas y no decolorar el resto de la prenda.

Masas atómicas de los elementos ¿Es lo mismo decir masa ató­ mica que peso atómico? ¿Cómo puedes pesar un átomo si no lo puedes tocar o ver? ¿Cómo calculó Dalton las masas atómicas de los ele­ mentos? ¿Qué significa uma? ¿Por qué se le asignó al hidró­ geno una masa atómica con Figura 1.4 masa atómica se define como la valor 1? ¿Quién inventó el La cantidad de materia contenida en los primer espectrógrafo de ma­ átomos de los elementos. sas en 1919? ¿Cuál es la uni­ dad química que se define como “un montón de sustancias”? ¿A cuántos átomos equivale un mol? ¿Cuánto pesan las moléculas? ¿Para qué sirve la masa molar de un elemento? ¿Será lo mismo decir masa molecular que masa molar de una sustancia? ¿Cómo se calcula la masa molar de un compuesto químico? ¿Qué unidades se utilizan para medir la masa molar?

Masas atómicas relativas La masa o el peso de la mayoría de los objetos se mide tomando como unidad el kilogramo. Así las cantidades que resultan de esta me­ dición son manejables, es decir no son muy grandes ni muy pequeñas. Pero, ¿cómo utilizar el kilogramo para pesar cosas tan minúsculas como los átomos? Resultarían cifras extraordinariamente pequeñas. John Dalton estableció en sus postulados que cada átomo tiene un peso o masa propia y distinta a la de otros átomos. Para determinar esa masa escogió en forma relativa al átomo más ligero, que resultó ser el átomo de hidrógeno, y se le asignó el valor 1. Así, si un ele­ mento tiene una masa de 40, quiere decir que sus átomos poseen 7

1

Estequiometría

una masa 40 veces mayor que la del átomo de hidrógeno. A este concepto se le conoce apropiadamente como masa atómica relativa, aunque de manera usual se le llama peso atómico. Partiendo de lo anterior, Dalton estableció una tabla de masas atómi­ cas que incluía a la mayor parte de los elementos entonces conoci­ dos. En esta tabla, la masa atómica del hidrógeno era 1; la del nitrógeno, 5; la del carbono, 5.4; la del oxígeno, 7; la del fósforo, 9; la del azufre, 13; la del magnesio, 20; la del hierro, 50; la del oro, 190, etc. Sin embargo, Dalton cometió un error fundamental al determinar tales valores: supuso, en más casos de los debidos, que los átomos se combinaban en la proporción 1 a 1. A pesar de esto, la tabla de Dalton constituyó la base para designar la masa atómica de los elementos. Sólo muchos años después, en lugar de tomar como referencia al hi­ drógeno, se seleccionó al oxígeno para establecer las masas atómicas. Actualmente, por razones de precisión, para determinar las masas atómicas de los elementos se toma como base el carbono 12 (el isótopo más abundante de carbono), al cual se le asigna un valor exacto de 12. Esto quiere decir que la unidad corresponde a la do­ ceava parte de la masa de dicho átomo. 1 (de la masa del isótopo del carbono 12) = 1 uma 2 uma = (unidad de masa atómica) Tomando este valor, el hidrógeno tiene entonces una masa atómica relativa (peso atómico) de 1.00797, es decir, casi igual a la que se le asignó antiguamente. Como ya se mencionó, el valor de la uma se define igual a la docea­ va (1/12) parte de la masa del isótopo 12 del átomo de carbono y su valor equivale aproximadamente a la masa de un protón (o un átomo) de hidrógeno. Entonces, cuando se muestra un valor como masa atómica de un elemento, ese número está indicando cuántas veces la masa de un átomo de ese elemento es mayor que la unidad de masa atómi­ ca. Recordemos que por eso es masa atómica relativa, pues se rela­ ciona con una unidad uma. Para aclarar por qué es “relativa”, debemos tomar en cuenta que para cualquier medición que realizamos diariamente siempre con­ sideramos una unidad de referencia, por ejemplo, cuando medi­ mos el largo de una calle nuestra unidad de referencia es el metro.

Elemento

Masa atómica relativa (uma)

Carbono (C)

12

Magnesio (Mg)

24

Oxígeno (O)

16

Azufre (S)

32

De acuerdo con lo anterior, el oxígeno tiene una masa de 16 uma y; por tanto, su masa es 1 1/3 veces mayor que la del carbono. En la actualidad, los valores de las masas atómicas se determinan por medio de un espectrómetro de masa o espectrógrafo de masa, el cual fue inventado en 1919 por Francis William Aston (1877-1945). Con este aparato se midieron los isótopos de los di­ versos elementos y se encontró que sólo hay 25 elementos puros y los demás son mezclas de isótopos. Fue así como se supo que el oxígeno tiene tres isótopos:

17 18 16

O

O

O

8

8

8

1

2

3

H

H

H

1

1

1

Y que el hidrógeno tiene tres:

Protio Deuterio Tritio Los isótopos son átomos de un mismo elemento que tienen igual número atómico (protones o electrones) pero diferente masa ató­ mica (neutrones). Tomando en cuenta los isótopos de un elemento y el porcentaje de su presencia en la naturaleza, se obtiene un promedio que repre­ senta su masa atómica. Por ejemplo, se encontró que el galio, en una muestra de 100 g, contiene 60.108% de un isótopo con masa atómi­ ca de 68.9256 y 39.892% de otro isótopo con masa atómica de 70.9247.

A continuación se presenta la masa atómica relativa de algunos ele­ mentos.

8

Elemento

Masa atómica relativa (uma)

Hidrógeno (H)

1

Helio (He)

4

Litio (Li)

7

Berilio (Be)

9

Boro (B)

11

Figura 1.5 Manejo de isótopos. El estudio de los isótopos ha coadyuvado a mejorar la salud humana.

Grupo Editorial Patria ® Masa atómica del galio (Ga)  (60.108 3 68.9256) + (39.892 3 70.9247)  =  69.72 uma 100 De la misma forma se calculan las masas atómicas de los demás ele­ mentos con isótopos. = 

Masa molar ¿Cuánto pesan las moléculas? Las moléculas están formadas por dos o más átomos, por esta razón, el peso de una molécula es la suma de los pesos de los átomos que la forman. A ese peso se le llama peso molecular o masa molecular, que representa cuántas veces es mayor la masa de una molécula de un compuesto que la masa del átomo de hidrógeno. La masa molecular se obtiene sumando las masas atómicas de los átomos que integran una molécula. Para ello es necesario tomar en cuenta la fórmula molecular, pues en ella se indica el número de átomos que tienen los elementos que la constituyen. Ejemplos Calcular la masa molecular de los siguientes compuestos: a) Agua (H2O) Elemento Número de átomos Masa atómica (aproximada) H

2

O

1

3 1 = 2 3 16 = 16

Masa molecular del H2O  =  18 uma b) Cloruro de sodio (NaCl) Elemento Número de átomos Masa atómica Na

1

3 23 = 23.0 3 35.5 = 35.5

Cl 1 Masa molecular del NaCl  =  58.5 uma c) Ácido sulfúrico (H2SO4) Elemento Número de átomos Masa atómica H 2 3 1 = 2 S 1 3 32 = 32 O 4 3 16 = 64 Masa molecular del H2SO4  =  98 uma d) Sulfato férrico [ Fe2(SO4)3] Elemento Número de átomos Masa atómica Fe 2 3 56 = 112 S 3 3 32 = 96 O 12 3 16 = 192 Masa molecular del [ Fe2(SO4)3]  =  400 uma

Como mencionamos, los átomos de cualquier elemento son tan pequeños que, en la práctica, resulta imposible medir su masa ató­ mica con una balanza. Por ello se usa el número de Avogadro (6.023 3 1023), el cual nos permite determinar la equivalencia en­ tre la masa en gramos y la masa atómica de un átomo. Así obtene­ mos un mol y; por tanto, la masa de un mol o masa molar. Como esta masa es numéricamente igual a la masa atómica del elemento, pero expresada en gramos, es posible determinarla por medio de una balanza. Ejemplos: Elemento

Masa atómica

Número de moles

Masa molar

Sodio

23 uma

1

23 g

Azufre

32 uma

1

32 g

Hierro

56 uma

1

56 g

Zinc

65 uma

1

65 g

Para calcular la masa molar de un elemento es necesario conocer su masa atómica, y para ello usamos la tabla periódica de los ele­ mentos, que estudiaste en el curso anterior. Como las masas atómi­ cas son números fraccionarios, para facilitar su manejo hay que redondearlos al entero más próximo. Si el número está debajo de 0.5 se redondea al inmediato inferior; si el número está arriba de 0.5 se redondea al inmediato superior. Por ejemplo: El silicio (Si) tiene una masa atómica de 28.09 uma y se aproxima a 28 g. El galio (Ga) tiene una masa atómica de 69.72 uma y se aproxima a 70 g. El cobre (Cu) tiene una masa atómica de 63.55 uma y se aproxima a 63.5 g. El cloro (Cl) tiene una masa atómica de 35.45 uma y se aproxima a 35.5 g. Nota: Estos dos últimos elementos es conveniente dejarlos en .5 para evitar errores importantes en los cálculos, ya que están muy próximos a la cantidad intermedia. Son los únicos dos casos de este tipo en toda la tabla periódica. Con estos datos podemos saber la cantidad en gramos de varios moles. Para ello multiplicamos el valor de un mol por el número de moles del elemento requerido. Ejemplos: ¿Cuál es el peso de 3 moles de sodio (Na)? Como: 1 mol de Na = 23 g (véase dato en la tabla periódica) (3 moles de Na)

(

)

23 g = 69 g de Na 1 mol de Na

9

1

Estequiometría

¿Cuántos moles hay en 34.5 g de sodio (Na)? (34.5 g de Na)

(

)

1 mol de Na = 1.5 moles de Na 23 g de Na

¿Cuántos moles de aluminio hay en 216 g de aluminio (Al)? Como:

1 mol de aluminio = 27 g (216 g de Al )



  

(

)

1 mol de Al = 8 moles de Al 27 g de Al

  Actividad formativa

Completa el siguiente cuadro con los datos que faltan. Utiliza la tabla periódica de los elementos. Elemento

Símbolo

Masa atómica (aproximada)

Masa de un mol o masa molar

Número de moles

Nitrógeno Titanio Potasio Plata Plomo Selenio

Masa de un mol de moléculas La masa de un mol de moléculas se define como la masa molecular de esa medida expresada en gramos, equivalente a 6.023 3 1023 moléculas. Ejemplo: un mol de cloruro de sodio (NaCl) pesa 58.5 g. Na = (1 átomo)

(23) =  23 g

Cl = (1 átomo)

(35.5) = 35.5 g

1 mol = 58.5 g 1 mol de NaCl = 58.5 g = 6.023 3 1023 moléculas de NaCl Por tanto, la masa molecular del cloruro de sodio es igual a 58.5 uma, y la masa molar del cloruro de sodio es igual a 58.5 g.

  Actividad formativa

Determina la masa molecular y la masa molar de los siguientes compuestos:

10

Elemento

Símbolo

Sulfato de cobre (II)

CuSO4

Carbonato de aluminio

Al2(CO3)3

Sacarosa

C12H22O11

Número de átomos 3 masa atómica (aproximada)

Masa molecular (uma)

Masa molar (g)

Grupo Editorial Patria ®

Volumen molar Volúmenes de combinación y moléculas (ley de Avogadro) Ley de las combinaciones volumétricas (Gay-Lussac-Humboldt). “En cualquier reacción química, los volúmenes de las sustancias gaseosas que intervienen en ella, medidos en las mismas condiciones de temperatura y presión, guar­ dan entre sí una relación de números enteros sencillos”. Conforme avanzó la ciencia química se estudió el volumen de las sustancias gaseosas en las reacciones químicas. En 1805 Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850), en colabo­ración con Alexander von Humboldt (1769-1859), comprobó que al combinar 2 volúmenes de hidrógeno con 1 volumen de oxígeno se forman 2 volúmenes de agua.

2 volúmenes de hidrógeno

2 H2





+ 

=

1 O2

+

 



+ 1 volumen de oxígeno

Figura 1.6 Joseph Louis Gay-Lussac.

2 volúmenes de agua 2 H2O



Relación 2:1:2 Posteriormente, en 1808, Gay-Lussac completó sus observaciones con otros gases:



+ 



1 volumen de hidrógeno

+

1 volumen de cloro



+

1Cl2 

1 H 2

 

 

2 volúmenes de cloruro de hidrógeno

=

  

  

2 HCl

 

Relación 1:1:2





 

+ 

1 volumen de nitrógeno

+



+

1 N2

 

3 volúmenes de hidrógeno

 

 

 

= 2 volúmenes de amoniaco

3 H2 Relación 1:3:2

2 NH3

Como vemos, estas reacciones muestran que la relación de los volúmenes es de números enteros y sencillos. Ahora bien, la ley de Gay-Lussac se limita a describir los resultados de los experimentos de un modo resumido, pero no los explica.

Actividad formativa

Completa el siguiente cuadro con los datos que faltan. Utiliza la tabla periódica de los elementos. Elemento

Símbolo

Masa atómica (aproximada)

Masa de un mol o masa molar

Número de moles

Fósforo Calcio Oro Mercurio Arsénico Uranio

11

1

Estequiometría

Actividad formativa

Determina la masa molecular y la masa molar de los siguientes compuestos: Elemento

Símbolo

Sulfato de potasio

K2SO4

Carbonato de calcio

CaCO3

Glucosa

C6H12O6



Número de átomos 3 masa atómica (aproximada)

Masa molecular (uma)

Masa molar (g)

Actividad formativa

Realiza los cálculos correspondientes y completa el siguiente cuadro. Fórmula

Masa

H2

10 g

Br2

20 g

PH3

30 g

HCl

40 g

H2SO4

50 g

KOH

60 g

H2O

100 g

Masa molecular

Moles

Moléculas

  Ley de Avogadro “Bajo las mismas condiciones de temperatura y presión, volúmenes iguales de gases dife­ rentes contienen el mismo número de moléculas.” Si tenemos por separado 3 litros de oxígeno y 3 litros de hidrógeno, y los sometemos a las mismas condiciones de temperatura y presión, el número de moles de cada muestra de gas debe ser igual. De acuerdo con Dalton, la combinación de hidrógeno y oxígeno se representa gráfica­ mente de la siguiente manera:

Figura 1.7 Se observan tres gases diferentes que tienen el mismo número de moléculas.

12



+



+



1 molécula 1 molécula 1 molécula de hidrógeno de hidrógeno de oxígeno



+ 1 molécula de agua

1 molécula de agua

Grupo Editorial Patria ® Esto significa que el átomo de oxígeno tendría que partirse, lo cual no es posible, pues el mis­mo Dalton determinó que el átomo permanece indi­ visible en las reacciones químicas. Con la ley de Avogadro esta contradicción se resolvió ya que se pudo confirmar que los gases se combinan en relaciones de números enteros. Además, Avogadro especificó que las moléculas de los elementos gaseosos debían ser diatómicas (H2, O2, Cl2, etc.). Aunque como hemos visto, esta idea entraba en conflicto con las ideas de Dalton.

2 moléculas + 1 molécula 2 1   + 

  + 

 

2 moléculas 2

 

 

1 molécula 1 molécula 1 molécula H2 + H2 + O2 H2O

 

2 moléculas de agua H2O

Como vemos, el oxígeno, como molécula diatómica, se puede dividir en dos átomos, lo cual permite obtener dos moléculas de agua.

Conversiones masa-mol-volumen molar Conversión a moles y gramos ¿A cuántos moles equivalen 2.15 3 1023 moléculas de NH3? ¿Qué masa corresponde a este número de moléculas?

(

1 mol (6.023) (1023 moléculas) = 0.357 moles NH3

(2.15) (1023 moléculas)

(0.357 moles NH3)

Conversión a átomos

(

)

)

17 g NH3 = 6.0684 g NH3 1 mol NH3

¿Cuántos átomos hay en una muestra de 20 g de oro?

(

1 mol Au 197 g Au

(6.023)(1023 átomos de Au) (20 g Au ) 1 mol Au = (0.6114) (1023 átomos de Au)

)(

)

  1.2 Ley de la conservación de la materia Las leyes ponderales son la base fundamental de la química cuantitativa, pues mediante ellas podemos determinar los pesos y volúmenes de las sustancias que intervienen en una reacción química. Estas leyes son cuatro: Ley de la conservación de la masa o ley de Lavoisier Ley de las proporciones constantes o ley de Proust Ley de las proporciones múltiples o ley de Dalton Ley de las proporciones recíprocas o equivalentes o ley de Richter-Wenzel Dichas leyes fueron enunciadas, en su mayoría, antes de que se dispusiera de un modelo atómico sobre la constitución de la materia.

Figura 1.8 El hombre transforma la materia para obtener mejores productos.

13

1

Estequiometría

Figura 1.9 Conocer las técnicas utilizadas antiguamente permitió que fuesen mejoradas hasta llegar a los espectaculares adelantos tecnológicos de hoy.

La estequiometría es la parte de la química que basada en las leyes ponderales nos permite calcular la cantidad de cada una de las sus­ tancias que se obtendrán en una reacción química. Este cálculo es indispensable ya que no es sufi­ ciente con saber cuáles son los componentes de una sustancia o de un producto para poder pro­ ducirlo. Por ejemplo casi toda la gente que fabrica los refrescos y la mayoría de los cosméticos des­ Figura 1.10 conoce las fórmulas de esos pro­ La estequiometría es de gran ductos; saben qué sustancias los importancia para los químicos, ya que permite obtener teóricamente el componen, pero no en qué canti­ rendimiento de una reacción. dades. Pequeñas alteraciones en esas fórmulas pueden ocasionar grandes pérdidas o demandas legales contra las empresas fabricantes. Por ello, conocer la composición de las sustancias y calcular sus reac­ ciones es una tarea fundamental de los químicos. La estequiometría y sus recursos son el cimiento de prácticamente todos los procesos químicos y un apoyo para el trabajo de la mayo­ ría de los profesionales de la química. La estequiometría ayuda al químico orgánico o inorgánico a calcular la eficiencia de una nueva síntesis, al ingeniero químico a planear procesos más económicos y efi­cientes y al bioquímico a entender las relaciones ponderales en los procesos metabólicos.

  Ley de Lavoisier Esta ley es fundamental para realizar cualquier cálculo en una reac­ ción química. Fue establecida por Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794), químico francés que se caracterizó por medir y siste­ 14

matizar obsesivamente sus ex­ perimentos. En 1772, Lavoisier logró comprar un diamante al que luego convirtió en mo­ nóxido de carbono tras expo­ nerlo a un fuerte calentamiento. También calentó diversos me­ tales en recipientes cerrados con una cantidad limitada de aire; así observó que una capa de la superficie del metal se cal­ cinaba, y que el peso del me­ Figura 1.11 tal,  el aire y el recipiente era Antoine Laurent Lavoisier. igual al peso del recipiente y el metal con la superficie calcinada. Estos experimentos le permitie­ ron establecer dos conocimientos importantes: que en el aire exis­ te un gas llamado oxígeno (formador de óxidos), y la ley de la conservación de la masa. Estableció que: “En un sistema sometido a un cambio químico, la masa total de las sustancias que intervie­ nen permanece constante”. O en otras palabras: la masa de los reac­ tivos es igual a la masa de los productos. Ejemplo El hidrógeno se combina con el oxígeno para formar agua. 2 H2 1 O2 

Reactivos

  2 H2O Producto

Reactivos Producto 4 átomos de hidrógeno

producen

2 átomos de oxígeno

4 átomos de hidrógeno 2 átomos de oxígeno

Como se tienen átomos en igual número y de la misma clase en ambos lados de la ecuación, ésta queda balanceada. Los coeficientes anteriores nos proporcionan la siguiente información: 2 moléculas de hidrógeno 1 1 molécula de oxígeno 5 2 moléculas de agua. 2 moles de hidrógeno 1 1 mol de oxígeno 5 2 moles de agua. 2 3 6.023 3 1023 moléculas de hidrógeno 1 1 3 6.023 3 1023 moléculas de oxígeno 5 2 3 6.023 3 1023 moléculas de agua. 2 volúmenes de hidrógeno 1 1 volumen de oxígeno 5 2 volúmenes de agua. 2 3 2 g 1 1 3 32 g 5 2 3 18 g 4 g de hidrógeno 1 32 g de oxígeno 5 36 g de agua 36 g de reactivos 5 36 g de productos

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Actividad transversal

Comprensión lectora El triunfo de la medida Instrucciones: Lee el siguiente fragmento de un artículo sobre los experimentos de Lavoisier durante los inicios de la química y contes­ ta las preguntas que se hacen al final. Los numerosos e importantes descubrimientos hechos en relación con los gases tenían que ser reunidos en una teoría global, lo que ocurrió hacia finales del siglo xviii. Su autor estaba en escena. Era el químico francés Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794). Desde el principio de sus investigaciones químicas, Lavoisier reco­ noció la importancia de las mediciones precisas. Así, su primer tra­ bajo importante, en 1764, trata sobre una investigación de la composición del yeso: lo calentó para extraer el agua que contenía, y midió luego la cantidad de agua liberada. Se unió así a los que, como Black y Cavendish, aplicaban la medición a los cambios quími­ cos. Lavoisier, sin embargo, era más sistemático, y la utilizó como instrumento con el que derribaría las antiguas teorías que, ya inser­ vibles, no harían sino entorpecer el progreso de la química. Todavía había quienes, por ejemplo, aún en 1770 se aferraban a la vieja concepción griega de los elementos; y mantenían que la trans­ mutación era posible, puesto que el agua se transformaba en tierra calentándola durante mucho tiempo. Esta suposición parecía razo­ nable (incluso, en un principio, a Lavoisier), puesto que, calentando agua durante varios días en un recipiente de cristal, se formaba un depósito sólido. Lavoisier decidió examinar esta supuesta transmutación con algo más que una simple inspección ocular. Durante 101 días hirvió agua en un aparato que condensaba el vapor y lo devolvía al matraz, de manera que en el curso del experimento no se perdía sustancia al­ guna, Y, por supuesto, no olvidó la medida. Pesó el agua y el reci­ piente, antes y después del largo periodo de ebullición. El sedimento sí apareció, pero el agua no cambió de peso durante la ebullición. De forma que el sedimento no pudo haberse formado a partir del agua. Sin embargo, una vez extraído el sedimento, resultó que el recipiente había perdido peso, una pérdida que era justamen­ te el peso del sedimento. En otras palabras, el sedimento no era agua convertida en tierra, sino material del vidrio atacado por el agua caliente y precipitado en fragmentos sólidos. He aquí un ejemplo claro en el que la medida pudo conducir a la demostración de un hecho razonable, mientras que el testimonio de los ojos sólo llevaba a una conclusión falsa. Lavoisier se interesó en la combustión, primero, porque éste era el gran problema de la química del siglo xviii, y segundo, porque uno de sus primeros triunfos fue un ensayo sobre la mejora de las técnicas del alumbrado público en 1760-1769. Empezó en 1772, cuando se unió a otros químicos para comprar un diamante que calentó en un recipiente cerrado hasta que desapareció. La formación del dióxido

de carbono fue la primera demostración clara de que el diamante era una forma de carbono y; por tanto, estaba estrechamente relaciona­ do con el carbón, más que con ninguna otra cosa. De acuerdo con estos experimentos y otros más sobre combustión Lavoisier sostuvo su famosa Ley de la Conservación de la masa: “La masa no se creaba ni se destruía, sino que simplemente cambiaba de unas sustancias a otras. Esta ley sirvió de piedra angular a la química del siglo xix. A partir de aquí en el futuro solamente intere­ sarían a los químicos los materiales que pudieran pesarse o medirse. Tras establecer esta base, Lavoisier comenzó a levantar la superes­ tructura de la química. Durante la década de 1780-1789, en colabo­ ración con otros tres químicos franceses, Louis Bernard Guyton de Morveau (1737-1816), Claude Louis Bertholler (1742-1822) y Antoine Francois de Fourcroy (1755-1808), elaboró un sistema lógico de no­ menclatura que se publicó en 1787. En 1789 Lavoisier publicó el libro llamado Tratado elemental de química, que aportó al mundo una visión unificada del conocimiento químico con base en sus nue­ vas teorías y nomenclatura. Al triunfo de la Revolución Francesa, ésta se degeneró rápidamente en los feroces excesos del terror, por lo que Lavoisier fue ejecutado en la guillotina junto con los funcionarios de una organización recaudadora de impuestos que los revolucionarios consideraban un instrumento de corrupción de la odiada monarquía. Así en 1794, uno de los más grandes químicos que jamás ha existi­ do, fue muerto innecesaria e inútilmente en la mejor etapa de su vida. “Bastó un instante para cercenar esa cabeza, y quizá un siglo no baste para producir otra igual”, dijo Joseph Lagrange, el insigne matemático. Lavoisier es universalmente recordado en la actualidad como “el padre de la química moderna”. Preguntas: 1. En qué año efectuó su primer experimento importante:

  2. ¿En qué consistió dicho experimento?

  3. ¿Qué sustancia fue la que pesó?

  4. ¿Qué ley estableció a partir de sus experimentos?

 

15

1

Estequiometría Ejemplo

5. ¿Cómo se enuncia dicha ley?

 

Cuántos moles de hidrógeno se combinan con 0.276 moles de oxígeno mediante la reacción:

6. ¿Para qué sirvió esta ley?



2 H2 1 O2  X (moles)

  2 H2O

0.276 moles

Solución:

 

 2 moles de H2 

  1 mol de O2

 X moles de H2 

  0.276 moles de O2

7. ¿Qué otra gran aportación realizó Lavoisier para la química du­ rante la década de 1780 a 1789?

X5

2 3 0.276 1

5 0.552 moles de H2

  8. ¿Cuál es el título del libro que se publicó en 1794?

 

Masa-masa

9. Menciona los tres químicos franceses que colaboraron con La­ voisier en la elaboración de un sistema de nomenclatura quími­ ca, que permitió un notable progreso en el desarrollo de la química como ciencia:

Los coeficientes de una ecuación balanceada nos dan las cantida­ des relativas (en moles) de los reactivos y de los productos. Los cálculos que se realizan para buscar las masas de las sustancias que toman parte en una reacción se llaman problemas de masa a masa. Por ejemplo:

 

Calcula los gramos de cloruro de plata (AgCl) que se obtienen a partir de 25 g de nitrato de plata (AgNO3) con la siguiente reacción:

10. De acuerdo con lo anterior, a Lavoisier se le conoce como:

 

AgNO3 + NaCl 

Paso 1. Balancea la ecuación química.

Relaciones estequiométricas Las ecuaciones nos dan información cualitativa y cuantitativa. Cada símbolo y cada fórmula en una ecuación representan una cantidad específica de elementos y compuestos. Las relaciones de masa entre los reactivos y los productos de una reacción química son de gran interés para los científicos, pues per­ miten determinar qué cantidad de reactivos se necesita combinar, y qué cantidad de producto se formará a partir de esos reac­tivos. Es decir, con el estudio de las relaciones de masa podemos saber qué cantidad de producto se formará con una cantidad específica de reactivo.

 AgCl + NaNO3

En este caso la ecuación ya está balanceada.

Paso 2. Calcula la masa molecular de las sustancias participantes en el problema:

Ag: 1 3 108 = 108



N: 1 3 14 =   14

AgNO3



O: 3 3 16   =   48

  

AgCl:

MM = 170 g/mol

Ag: 1 3 108 = 108 Cl: 1 3 35.5 =    35.5

    MM = 143.5 g/mol

Mol-mol

Paso 3. Establece entre qué sustancias se está verificando el pro­ blema.

Conocido el número de moles de una especie, encuentra el núme­ ro de moles correspondientes a otras especies.

En este caso es entre el cloruro de plata (AgCl) y el nitrato de plata (AgNO3).

16

Grupo Editorial Patria ®

170 g/mol

143.5 g/mol

AgNO3 + NaCl  

25 g

 

AgCl + NaNO3 ?

Mol-masa Dada la masa de una especie, determina el número de moles correspon­ diente a otras especies.

Paso 4. Realiza el cálculo de acuerdo con lo planteado en este caso: Ejemplo

170

Cuántos moles de hidrógeno se combinan con 16 g de oxígeno me­ diante la reacción:

143.5

25

X

(25 g)(143.5 g/mol) = 21.10 g AgCl X= 170 g/mol

2 H2 1 O2 

  2 H2O

X (moles) 16 g

Solución: Convertimos los gramos de oxígeno a moles:

Otro ejemplo: ¿Cuántos gramos de Cu2S se producen cuando re­ accionan 10 g de CuCl?

CuCl + H2S  10 g

 Cu2S + HCl ?

Paso 1. Balancea la ecuación: 2 CuCl + H2S 

 Cu2S + 2HCl

Moles de oxígeno 5

16 g 32 g/mol

5 0.5 mol

Por tanto:  2 moles de H2 

  1 mol de O2

   X moles de H2 

  0.5 moles de O2 X5

(2) (0.5) 1

5 1 mol de H2

Paso 2. Calcula la masa molecular de las sustancias participantes en el problema: CuCl

Volumen-volumen

Cu: 2 3 63.5 = 127 Cl: 2 3 35.5 = 71

   MM = 198 g/mol

Cu2S



Cu: 2 3 63.5 = 127 S: 1 3 32

= 32

    MM = 159 g/mol Paso 3. Establece entre qué sustancias se está verificando el pro­ blema: 198 g/mol

159 g/mol

2CuCl + H2S 

  Cu2S + 2HCl

10 g

?

Paso 4. Realiza el cálculo de acuerdo con lo planteado en este caso:

X=

198

159

10

X

10 3 159 = 8.030 g de Cu2S 198

Conocido el volumen de una especie gaseosa en condiciones de­ terminadas, encuentra el volumen de otras especies gaseosas que se encuentren en las mismas condiciones. Ejemplo: Mediante la siguiente reacción, ¿cuántos litros de oxígeno, en condiciones nor­ males de temperatura y presión, se combinarán con 30 litros de hidrógeno que están en las mismas condiciones? 2H2 + O2  (30 L H2 )

(

 2H2O 1    L O2 2    L H2

)

= 15 L de O2

Masa-volumen Dada la masa de una especie, halla el volumen de otras especies ga­ seosas en condiciones específicas.

Ejemplo Cuántos litros de oxígeno se necesitan para combinarse con 8.08 g de hidrógeno a 25 °C y 780 mmHg en la reacción: 2 H2 1 O2 

  2 H2O

17

1

Estequiometría

Para resolver este problema se recomienda efectuar las siguientes conversiones: g H2 

  moles H2 

  moles O2 

  litros O2 TPN  (8.08 g)

(

(

)(

1 mol H2 2.02 g

298 K 273 K

)(

  litros O2

1 mol O2 2 moles H2

760 mmHg 780 mmHg

)

)(

22.4 L 1 mol O2

)

(5 moles H2)

5 47.6 L

m5n•M

V 5 Vm • n

N 5 n • Na

m masa

V volumen

N número de partículas

4g

44.8 L (en condiciones normales, 273 K y 1 atm)

(

1 mol H2O 22.4 L H2O

22.4 L 1 mol H2O

)

)

5 5 moles de H2O

5 112.0 L de H2O

Composición porcentual y su relación con las fórmulas mínima y molecular

Esta ley indica que la constitución de un compuesto es siempre la misma y que; por tanto, el porcentaje o proporción en la que inter­ vienen los diferentes elementos es constante y característica de la sustancia analizada. Así, por ejemplo, en la fórmula del agua: H2O

Na 5 6.023 3 1023

23

N 5 2 3 6.023 3 10

1.2 3 1024 móleculas

Figura 1.12 Mapa que muestra la relación entre las magnitudes masa, volumen, cantidad de sustancia y número de partículas.

18

1 mol H2

)(

Joseph Proust (1754-1826) realizó numerosos análisis para demostrar la composición constante de las sustan­ cias químicas. En 1799, por ejemplo, analizó muestras de carbonato de co­ bre provenientes de diversas fuentes naturales y  de la síntesis de labora­ torio, y encontró que todas ellas te­ nían la misma composición. Como observó que esto sucedía con otras Figura 1.13 sustancias, Proust expresó sus conclu­ Joseph Louis Proust, químico siones más o menos de la siguien­te francés. manera: Cuando dos o más elementos se combinan para formar un compuesto, lo hacen siempre en la misma razón de masas.

2 moles de H2

V 5 22.4 3 2

22.4 L H2

  Ley de Proust

n cantidad de sustancia

m5232

(

(5 moles de H2O)

Conocido el número de moles de una especie gaseosa en condicio­ nes definidas, encuentra el volumen de otras especies gaseosas que se encuentren en las mismas condiciones.

V 5 22.4 L

En la reacción: 2H2 1 O2   2H2O, 5 moles de hidrógeno gas a TPN, ¿qué volumen de litros de agua en estado gaseoso se produci­ rán en las mismas condiciones de temperatura y presión? En la reacción anterior 2 moles de H2 producen 2 moles de H2O; por tanto, 5 moles de H2, producirán 5 moles de H2O.

Relación mol a volumen

M52

Ejemplo

Siempre se combinan 2 g de hidrógeno con 16 g de oxígeno para obtener 18 g de agua. O también: % de hidrógeno =

(

% de oxígeno =

(

2 g de hidrógeno 18 g de agua

)

(100) = 11.11%

)

16 g de oxígeno (100) = 88.89% 18 g de agua

11.11% de hidrógeno + 88.89% de oxígeno = 100% de agua

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Fórmula mínima También se le denomina fórmula empírica y se define como la más simple relación posible que existe entre los elementos o átomos que forman un determinado compuesto o molécula. Actividad transversal Determina la composición de cada uno de los elementos que forman las siguientes sustancias: HNO3

H: N:



O:



H:

H2SO4

O:

AlCl3

Al:

Paso 1. Se determinan los átomos gramo de cada elemento presente: % de A Átomo gramo de A = peso atómico de A % de B Átomo gramo de B = peso atómico de B % de C Átomo gramo de C = peso atómico de C Paso 2. De los cocientes obtenidos se toma el más pequeño como común denominador. Paso 3. Si el resultado de la operación efectuada es fraccionario, éste se aproximará al número inmediato superior cuando la frac­ ción sea mayor a 0.5, o al inmediatamente inferior cuando sea me­ nor a 0.5. Si alguno de los números contiene una fracción igual a 0.5, todos los números se multiplicarán por 2. Posteriormente se procederá a aproximar.

S:



Como para la determinación experimental de las fórmulas quími­ cas necesitamos contar con el análisis porcentual de la sustancia y con el valor de su peso molecular, sugerimos el siguiente procedi­ miento para establecer la fórmula mínima:

Cl:

Paso 4. Los números así obtenidos serán los subíndices de cada elemento en la fórmula buscada o fórmula mínima. Ejemplo Determina la fórmula mínima entre 0.72 g de magnesio (peso atómico 5 24) y 0.28 g de nitrógeno (peso atómico 5 14). Elemento

Peso atómico

Peso (g)

Peso/Peso atómico

Relación

Subíndices

Mg

24

0.72

0.72/24 5 0.03

0.03/0.02 5 1.5

1.5 3 2 5 3

N

14

0.28

0.28/14 5 0.02 *

0.02/0.02 5 1

13252

* Cociente mínimo.

Fórmula mínima 5 Mg3N2   Nitruro de magnesio Ejemplo Determina la fórmula mínima para la siguiente composición: Ca 5 18.3%, Cl 5 32.4%, H 5 5.5%, y O 5 43.8%. Elemento

%

Peso (g)

Peso atómico

Átomos-g

Relación

Subíndices

Ca

18.3

18.3

40.0

18.3/40 = 0.45*

0.45/0.45 = 1

1

Cl

32.4

32.4

35.5

32.4/35.5 = 0.91

0.91/0.45 = 2

2

H

5.5

5.5

1.0

5.5/1 = 5.5

5.5/0.45 = 12.2

12

O

43.8

43.8

16.0

43.8/16 = 2.7

2.7/0.45 = 6.06

6

Total: 100% * Relación mínima.

Fórmula mínima 5 Ca1Cl2H12O6 o CaCl2. 6H2O   Cloruro de calcio hexahidratado 19

1

Estequiometría

Fórmula molecular o verdadera

Paso 2. Se determina el peso fórmula de la fórmula mínima.

Es la relación que existe entre los átomos de los elementos de una sustancia real o verdadera. Para su determinación es necesario con­ tar con el análisis porcentual y con el peso molecular de la sustancia.

Paso 3. Se encuentra la relación del peso molecular respecto al peso fórmula.

El procedimiento para obtener esta fórmula es el siguiente: Paso 1. Se determina la fórmula mínima o empírica.

Paso 4. El resultado de la relación obtenida en el paso anterior será el número de fórmulas mínimas de la molécula; es decir, la fórmu­ la mínima se multiplicará por dicho número para encontrar así la fórmula molecular o verdadera.

Ejemplo El análisis de una sustancia pura, blanca y cristalina es C 5 26.7%, H 5 2.2% y O 5 71.1%. Si su peso fórmula es de 90 g/mol, determina su fórmula molecular. Elemento

%

Peso (g)

Peso atómico

Átomos-g

Relación

Subíndices

C

26.7

26.7

12

26.7/12 5 2.22

2.22/2.2 5 1.01

1

H

2.2

2.2

1

2.2/1 5 2.2

2.2/2.2 5 1

1

O

71.1

71.1

16

71.1/16 5 4.44

4.44/2.2 5 2.02

2

Fórmula mínima 5 CHO2

Peso molecular 5 45 g/mol (fórmula mínima)

Fórmula molecular o verdadera 5 ? 

Peso molecular 5 90 g/mol (fórmula verdadera)

Dividiendo los pesos moleculares se obtiene la siguiente relación: 90/45 5 2. Por tanto se multiplica la fórmula mínima por 2 para obtener la fórmula verdadera: Fórmula molecular 5 2 (CHO2) 5 C2H2O4

combinan están en una relación de 4 a 3, es decir, O/C = 4/3 ; se trata del monóxido de carbono (CO). En la otra, dicha relación es de 8 a 3, O/C = 8/3 ; se trata, en este caso, de dióxido de carbono (CO2). Ambos cocientes representan la cantidad de oxígeno que se combina por unidad de masa de carbono para formar los óxidos. De acuerdo con esta ley, tales cantidades guardan entre sí una rela­ ción sencilla: ¾ / 3/8 = 2.

  Ley de Dalton De acuerdo con su teoría atómica, Dalton formuló una segunda ley que dice: “Las ma­ sas de un elemento que se combinan con una cantidad  constante de otro elemento lo ha­ cen en razones de números enteros peque­ ños”. En otras palabras: “Cuando dos o más ele­ mentos se unen para formar una serie de compuestos, las cantidades de un mismo ele­ mento que se combinan con una cantidad fija de otro, guardan entre sí una relación que corresponde a números enteros sencillos”.

Para el monóxido de carbono (CO):

Figura 1.14 John Dalton.

Para ilustrar el significado de esta ley, Dalton consideró el caso de los óxidos de carbono: distintas experiencias de síntesis indican que es posible conseguir dos combinaciones diferentes de carbono y oxígeno. En una de ellas, las masas de oxígeno y carbono que se 20

CO: 1 átomo de carbono (12 g) se combina con 1 átomo de oxíge­ no (16 g); por tanto: 12 6 3 = = 16 8 4 Para el dióxido de carbono (CO2): CO2: 1 átomo de carbono (12 g) se combina con 2 átomos de oxí­ geno (32 g); por tanto: 12 6 3 = = 32 16 8

Grupo Editorial Patria ® Dividiendo el cociente del CO (3/4) entre el cociente del CO2 (3/8), resulta:

14 g de nitrógeno se combinan con 16 g de oxígeno, lo cual implica que con 1 g de nitrógeno se combinarán 1.142 g de oxígeno.

3 4 24 = =2 3 12 8 De acuerdo con los cálculos anteriores la relación es 2 entre el CO y el CO2. El número 2 representa que el oxígeno aumenta en un múltiplo entero y pequeño (2).

La relación de oxígeno que se combina con 1 g de nitrógeno en cada uno de estos elementos, es la siguiente:

Otro ejemplo de esta ley lo constituye el agua (H2O) y el peróxido de hidrógeno; mientras que en el agua oxigenada existen 16 g de oxígeno por cada átomo de hidrógeno, en estos compuestos se en­ cuentra la proporción de un número entero pequeño, en este caso el 2. Por tanto, el peróxido de hidrógeno tiene dos veces más oxígeno por unidad de masa de hidrógeno que lo que contiene el agua. Analizando dos óxidos del nitrógeno: el N2O y el NO, se tiene lo siguiente: Para el N2O: 28 gramos de nitrógeno se combinan con 16 g de oxígeno, lo cual implica que con 1 gramo de nitrógeno se combinarán 0.571 g de oxígeno.

Masa de oxígeno en el N2O 0.571 1 = = Masa de oxígeno en el NO 1.142 2 O sea que la relación es ½. Si continuamos con este razonamiento, se encuentran los siguientes datos para los óxidos del nitrógeno.

Óxido

N

O

N(g)

O(g)

Relación

N2O

28

16

1

0.571

1:1

NO

14

16

1

1.142

1:2

N2O3

28

48

1

1.714

1:3

NO2

14

32

1

2.285

1:4

N2O5

28

80

1

2.858

1:5

Actividad transversal De acuerdo con los postulados anteriores, imagina el modelo de Dalton y dibújalo en el espacio siguiente. Después investiga en los libros de física o química cuál es el modelo establecido por Dalton. Dibújalo y compáralo con el primero que hiciste.

Observa los dibujos realizados y anota: Semejanzas: Diferencias:

21

1

Estequiometría

  Actividad formativa

Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el recuadro de la izquierda. El análisis de un compuesto presenta la siguiente composición porcentual: 32.79% de Na, 13.02% de Al y 54.19% de F. ¿Cuál es su fórmula empírica? a) NaAlF

b) Na3AlF6

c) Na2AlF5



d) Na2Al2F4

a) Aspirina: C9H8O4 % H:

% O:

%

% O:

%

% O:

%

b) Colesterol: C27H46O C :

% H:

c) Azúcar: C12H22O11 C:

% H:

  Ley de Richter-Wenzel “Las masas de dos elementos diferentes que se combinan con una misma cantidad de un tercer elemento, guardan la misma relación que las masas de aquellos elementos cuando se combinan entre sí.” Por ejemplo, en los compuestos: Cl2O y H2O, las cantidades de cloro e hidrógeno que se combinan con 16 g de oxígeno son 71 g y 2 g, respectivamente. Según esta ley, cuando reaccionan el cloro (Cl) y el hidrógeno (H) para formar el ácido clorhídrico (HCl), lo hacen en proporción de 71:2. Dos átomos de cloro (Cl2, 71 g) reaccionan con un átomo de oxí­ geno (½ O2, 16 g) para formar el compuesto anhídrido hipocloro­ so (Cl2O, 87 g): Cl2 + ½ O2 

 

71 g + 16 g

 Cl2O =

87 g

Dos átomos de hidrógeno (H2, 2 g) reaccionan con un átomo de oxígeno (½ O2, 16 g) para formar el compuesto agua (H2O, 18 g): H2 + ½ O2 

2 g + 16 g

 H2O =

18 g

Por tanto, dos átomos de cloro (Cl2, 71 g) reaccionan con dos áto­ mos de hidrógeno (H2, 2 g) para formar dos veces el compuesto ácido clorhídrico (2HCl, 73 g). 22



Cl2 + ½ O2 71 g + 16 g H2 + ½ O2 2 g + 16 g



Cl2 + H2



71 g + 2 g

= =

Cl2O 87 g H2O 18 g 2HCl

=

73 g Lectura

Actividad formativa

Determina la composición porcentual de las siguientes sustancias: C :

En conclusión:

Jeremías Benjamín Richter nació en 1762 en Hirschberg (Silesia). Fue hijo de un comerciante. Estudió en la universi­ dad de Königsberg y se graduó en 1789. En 1792 publicó su primer trabajo sobre es­te­quio­me­tría, término que él acuñó. Descubrió la ley que lleva su nombre. En 1795 fue químico en la Dirección de Minas de Silesia y al año siguiente de la Real Fábrica de porcelana de Berlín; de esta manera creó una importante in­ dustria de pigmentos y primeras mate­ rias para la fabricación y decorado de la porcelana.

Figura 1.15 Jeremías Benjamín Richter.

En 1802, Fisher formó la primera tabla de equi­valentes con los datos de Richter. Por su parte, Berzelius equivocó el origen de los trabajos de Richter y los atribuyó a Charles Frederick Wenzel, pero este error fue aclarado por Hess en 1840. Richter fue el primero en obtener, en 1804, el metal níquel puro, que Cronsted descubrió en 1750. La obra de Richter no fue estimada en su valor hasta muchos años después, pero fue indudablemente el fundador de la estequiometría. Murió en Berlín en 1807.

   1.3 Reactivo limitante y rendimiento de reacción Reactivo limitante Cuando se desea obtener un compuesto en el laboratorio, la canti­ dad de producto resultante está limitada por una de las sustancias que intervienen en la reacción. A esa sustancia se le conoce como reactivo limitante. Para saber cuánto producto se obtendrá, hay que determinar cuál de los reactivos se habrá consumido por completo cuando termine la reacción. Así sabremos también cuál reactivo estará en exceso y no se usará para formar el producto. En otras pa­ labras, se debe determinar primero cuál de las sustancias será el re­ activo limitante en una reacción.

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  Actividad formativa

Completa el siguiente mapa conceptual.

LA ESTEQUIOMETRÍA

se basa en cuatro leyes

LAVOISIER

se enuncia

DALTON

se enuncia

se enuncia

se enuncia

cuando dos o más elementos se combinan lo hacen siempre en la misma razón de masas

se aplica en

permite obtener la Fórmula Mínima y la

las reacciones químicas mol mediante relaciones

masa-masa

se aplica en el cálculo de

masa-mol

Masa-Molar

23

1

Estequiometría

Para ejemplificar lo anterior con una analogía, digamos que, para fabricar un automóvil, se necesitan una carrocería y cuatro ruedas, es decir: 1 carrocería + 4 ruedas 

cerías como base para el cálculo se pueden producir 25 automóviles. Sin embargo, si se usa el número de ruedas como base, la fábrica sólo puede armar 20 vehículos. Así, la compañía tiene 5 carrocerías (ya que 80/4 = 20) a las que no podrá poner ruedas, y en conse­ cuencia, el número de automóviles que puede produ­cirse se verá reducido a 20. En este caso, el “reactivo limitante” fueron las rue­ das, y las carrocerías son el “reactivo” que se tiene en exceso.

  1 automóvil

Si se tienen 25 carrocerías y 80 ruedas en la línea de montaje, ¿cuán­ tos automóviles podrán producirse? Usando el número de carro­

Ejemplo En la reacción del hidróxido de magnesio, Mg(OH)2 con el ácido clorhídrico (HCl) se producen cloruro de magnesio, MgCl2 y agua, H2O. Si utilizamos  250 g de hidróxido de magnesio, Mg(OH)2 y 150 g de ácido clorhídrico, HCl, ¿cuánto cloruro de magnesio, MgCl2 se produce y cuánta agua se forma? Paso 1. Se escribe la ecuación química y se balancea: Mg(OH)2 1 2HCl 

 MgCl2 1 2H2O

Paso 2. Se escriben las cantidades de sustancias utilizadas y se plantean las incógnitas o sustancias por calcular estequiométricamente:



58 g/mol

 2(36.5) g/mol

Mg(OH)2 1 2HCl  





250 g

 MgCl2 1 2H2O

 150 g

 ? g

?g

Paso 3. Se determina el número de moles de cada una de las sustancias iniciales, dividiendo la masa entre el peso molecular: Moles de Mg(OH)2 5 (250 g de Mg(OH)2)

Moles de HCl 5 (150 g de HCl)

(

(

1mol de Mg(OH)2

)

58 g de Mg(OH)2 1 mol de HCl

36.5 g de HCl

)

5 4.31 moles de Mg(OH)2

5 4.10 moles de HCl

Al calcular el número de moles de los reactivos Mg(OH)2 y HCl, resultó menor el del HCl, por lo que éste ya se utilizó completamente; por tanto, es el reactivo limitante a esta reacción. Para saber cuál sustancia se usa por completo, se realiza lo siguiente: Paso 4.  a)  Se escribe la ecuación balanceada y después se coloca el número de moles de cada sustancia debajo de su fórmula:



58 g/mol

2(36.5) g/mol

95 g/mol  2(18) g/mol

Mg(OH)2 1 2HCl    



250 g

 MgCl2 1 2H2O

 150 g

?g

?g

4.31 moles 4.10 moles

b)  Se determina la cantidad de HCl que se necesitaría para usar todo el Mg(OH)2. Moles de HCl necesarios 5 (4.31 moles de Mg(OH)2)

(

2 moles de HCl 1 mol de Mg(OH)2

)

= 8.62 moles de HCl

Moles de HCl necesarios 5 8.62 moles, pero como sólo tenemos 4.10 moles nuestro reactivo limitante es el HCl y, en consecuencia, el Mg(OH)2 es el reactivo en exceso. Se puede verificar esto al calcular la cantidad de Mg(OH)2 necesaria para reaccionar con todo el HCl. Moles de Mg(OH)2 necesarios 5 (4.10 moles de HCl)

(

1 mol de Mg(OH)2 2 moles de HCl

)

Moles de Mg(OH)2 necesarios 5 2.05 moles Tenemos 4.31 moles de Mg(OH)2, así que hay un exceso de 4.31 moles de Mg(OH)2 2 2.05 moles de Mg(OH)2 necesarios 5 2.26 moles de Mg(OH)2 sobrantes o sin reaccionar.

24

Grupo Editorial Patria ®

Paso 5. Al saber que el HCl es nuestro reactivo limitante, calculamos el número de moles de MgCl2 y de H2O que se obtendrán: 1 mol de MgCl2

( (

Moles de MgCl2 5 (4.10 moles de HCl) Moles de H2O 5 (4.10 moles de HCl)

2 moles de HCl

2 moles de H2O 2 moles de HCl

) )

5 2.05 moles

5 4.10 moles

Paso 6. Finalmente, se calcula la cantidad en gramos de las sustancias producidas en la reacción. Gramos de MgCl2 5 (2.05 moles de MgCl2) Gramos de H2O 5 (4.10 moles de H2O)

( (

95 g de MgCl2 1 mol de MgCl2 18 g de H2O 1 mol de H2O

)

)

5 194.75 g MgCl2

5 73.8 g de H2O

Ejemplo  MgCl2 1 H2 se utilizan 8 3 1023 átomos de magnesio (Mg) y 40 g de ácido clorhídrico (HCl) determina:

Si en la reacción: Mg 1 2HCl  a) ¿Cuál es el reactivo limitante?

b) ¿Cuál es el reactivo en exceso y en qué tanto se excede? c) ¿Cuál es la máxima cantidad de cloruro de magnesio (MgCl2) que puede obtenerse? Solución: a) Para determinar el reactivo limitante se procede de la siguiente manera: Paso 1. Se transforman a moles las cantidades iniciales de los reactivos: Para el magnesio (Mg): (8 3 1023 átomos de Mg)

(

(40 g de HCl)

(

1 mol de Mg 6.023 3 1023 átomos de Mg

)

5 1.32 moles de Mg

Para el ácido clorhídrico (HCl): 1 mol de HCl 36.5 g de HCl

)

5 1.09 moles de HCl

Paso 2. Se calculan los moles de un mismo producto que se obtendrán por cada reactivo. En este caso, se calculan los moles del cloruro de magne­ sio (MgCl2): Para el magnesio (Mg): (1.32 mol de Mg)

(

1 mol de MgCl2 1 mol de Mg

)

5 1.32 moles de MgCl2

Para el ácido clorhídrico (HCl): (1.09 mol de HCl)

(

1 mol de MgCl2 2 moles de HCl

)

5 0.547 moles de MgCl2

Paso 3. De acuerdo con los resultados obtenidos en el paso anterior, el ácido clorhídrico (HCl) es el reactivo limitante debido a que tiene el menor número de moles de producto: 0.547 moles es menor que 1.32 mol. Para calcular la cantidad del reactivo en exceso, que en este caso es el magnesio (Mg), se procede de la siguiente manera:

25

1

Estequiometría

Paso 4. Se calcula la cantidad de magnesio (Mg) que reacciona a partir de la cantidad del reactivo limitante, el HCl, presente: 1 mol de Mg (1.09 mol de HCl) 5 0.545 moles de Mg 2 moles de HCl Paso 5. Se resta la cantidad del reactivo limitante, el HCl, al magnesio presente en la reacción inicial:

(

)

(1.32 mol de Mg)inicio 2 (0.545 mol de Mg)reaccionan 5 0.775 moles de Mg sin reaccionar A partir de la cantidad del reactivo limitante, se calcula la máxima cantidad de cloruro de magnesio (MgCl2) que puede formarse: (1.09 mol de HCl)

(

1 mol de MgCl2 2 moles de HCl

)(

95 g de MgCl2 1 mol de MgCl2

Rendimiento de una reacción

)

5 51.775 g de MgCl2

A la máxima cantidad posible de producto formado en una reac­ ción química se le denomina rendimiento teórico. Como la can­ tidad de producto que se forma suele ser menor a la que predice el rendimiento teórico, es necesario definir la relación entre el rendi­ miento real y el rendimiento teórico.

De acuerdo con lo anterior, la cantidad de productos que se for­ man en una reacción está determinada por el reactivo limitante que se consume por completo. Cuando se produce una reacción en la que se forman cantidades máximas de productos, se dice que la reacción tiene un rendimien­ to de 100%.

Rendimiento de una reacción =

Rendimiento real 3 100% Rendimiento teórico

Ejemplo El nitrobenceno (C6H5NO2) se prepara mediante la siguiente reacción: C6H6 1 HNO3 

 C6H5NO2 1 H2O

Si se utiliza una muestra de 98.6 g de benceno (C6H6) para que reaccione con ácido nítrico (HNO3) y produzca 138.2 g de nitrobenceno (C6H5NO2), ¿cuál es el porcentaje de rendimiento de la reacción? Paso 1. Se calculan los pesos moleculares de las sustancias involucradas: el C6H6 y el C6H5NO2. MC6H6 5 78 g/mol    MC6H5NO2 5 123 g/mol Paso 2. Se calcula la cantidad teórica estequiométrica que se obtiene del producto nitrobenceno (C6H5NO2): MC6H6 

 MC6H5NO2

98.6 g 

g de C6H5NO2 5 (98.6 g)

(

  X

123 g/mol 78 g/mol

)

5 155.48 g de C6H5NO2 al 100%

Paso 3. Se determina el rendimiento real de la reacción:

     Por tanto: X 5

(

155.48 g de C6H5NO2 

 100%

 138.2 g de C6H5NO2 

  X

138.2 g de C6H5NO2 155.48 g de C6H5NO2

)

(100) 5 88.88% (rendimiento de la reacción)

Este rendimiento corresponde a la fórmula anteriormente mencionada: Rendimiento de una reacción 5

26

(

Rendimiento real Rendimiento teórico

)

(100%)

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Actividad transversal

Preservación del ambiente

  II. Grafica la siguiente tabla de emisiones de gases efecto inverna­ dero por fuente en México en el año 2006. Fuente: INEGI. Anota tus conclusiones.

¿Por qué un automóvil mal carburado contamina más el ambiente?

Concepto

Los gases que se emiten al medio ambiente a través del tubo de escape del motor de gasolina típico, contienen por lo menos 100 sustancias químicas, parte de las cuales contribuyen a la fotoquími­ ca de la contaminación, la sucia niebla que cubre como una manta muchas de las urbes más grandes del mundo. Los motores de los automóviles producen energía al quemar gasolina mezclada con aire. En un auto frío o uno con marcha en vacío, el com­ bustible no se evapora o distribuye por completo en los cilindros, y más combustible no quemado con todas las sustancias contaminantes es arrojado al aire. El efecto se intensifica en un auto desafinado. Los automóviles modernos están provistos de un convertidor catalítico, dispositivo diseñado para eliminar muchas sustancias nocivas que, de otra manera, serían eliminadas junto con los gases de escape. El con­ vertidor funciona con más eficacia cuando el automóvil está caliente y corre en la debida proporción combustible-aire. Cuando el motor mar­ cha en reposo, la temperatura de los gases de escape desciende, y el catalizador elimina sólo los hidrocarburos de fácil oxidación. Otro factor se refiere a nuestras calles tan estrechas. Los motores con marcha en vacío intensifican la contaminación de aire durante los em­ botellamientos, donde hay menos flujo de aire que disperse los gases de escape. El problema podrá aminorar en unos años, cuando los fa­ bricantes de autos introduzcan motores que se apaguen solos cuando hayan mantenido una marcha en vacío demasiado tiempo. Los conductores pueden ayudar a reducir la contaminación si afinan sus vehículos y los calientan tan de prisa como sea posible al encen­ derlos. Hay que asegurarnos que el termostato del sistema de enfria­ miento funcione correctamente; eso ayuda a un rápido calentamiento. En el tránsito congestionado de una ciudad, el conductor debe apagar el motor si es necesario detenerse por más de unos minutos. I.  De acuerdo con el texto anterior completa la siguiente tabla: Anota otros factores diferentes a los del texto que contaminan el medio ambiente

Anota otras acciones que se pueden realizar para combatir la contaminación ambiental

%

Energía

61.0

  Transporte

18.0

 

24.0

Generación de energía

  Otros consumos

5.0

  Manufactura e industria de producción

8.0

  Emisiones fugitivas

6.0

Procesos industriales

8.0

Cambio de uso del suelo y silvicultura

14.0

Agricultura

7.0

Desechos

10.0

Total Total de emisiones de CO2 (millones de toneladas)

100.0 643 183

Conclusiones:

 

Actividad transversal

Cuidado de la salud Actividad a realizar: Dibuja o ilustra en cada recuadro cada uno de los alimentos mencionados en cada grupo y al final anota tus conclu­ siones y señala cuáles son tus alimentos favoritos de cada grupo. ¿Qué quiere decir comer bien? Comer bien significa comer lo suficiente. También quiere decir inge­ rir una combinación de los distintos alimentos que el cuerpo necesi­ ta. Para ser sana, una persona necesita comer suficiente de cada uno de los cuatro grupos de alimentos, que se indican a continua­ ción: Grupo 1. Proteínas: alimentos que forman el cuerpo Las proteínas son necesarias para crecer bien, para construir músculos sanos y para desarrollar el cerebro y muchas otras partes del cuerpo. Para que un niño crezca normalmente y un adulto sea fuerte, hay que comer bastante proteína todos los días.

27

1

Estequiometría

Alimentos ricos en proteínas: Carne

Pollo

Huevos

Pescado

Mariscos

Leche

Queso y requesón

Frijol de soya

Insectos

Camarones

Alimentos con algo de proteínas: Frijol

Lentejas

Habas

Nueces

Chícharos

Cacahuate

Verduras de hojas verde oscuro

Cereales

Grupo 2. Carbohidratos y azúcares: alimentos que dan energía Estos alimentos son como la leña para la lumbre. Entre más trabaje una persona, más necesita de los alimentos que dan energía. Pero una dieta de sólo estos alimentos, sin proteínas, debilita el cuerpo. Alimentos con mucho carbohidrato o almidón: Maíz

28

Cereales

Fideos

Papas

Camote

Grupo Editorial Patria ®

Calabaza

Yuca

Panela

Plátano

Frutas

Azúcar

Plátano maduro

Miel

Leche

Grupo 3. Grasas y aceites: alimentos que almacenan la energía Estos alimentos son almacenes de energía en forma concentrada. El cuerpo los guarda como una reserva de leña y los convierte en azúcar cuando necesita fuerza. Cada comida debe contener un poco de grasa, pero demasiada grasa hace daño. Alimentos con mucha grasa: Manteca vegetal

Aceite de comer

Chicharrones

Tocino

Mantequilla

Margarina

Alimentos con algo de grasa: Cacahuates

Ajonjolí

Frijol de soya

Coco

29

1

Estequiometría

Nueces

Aguacate

Leche

Grupo 4. Vitaminas y minerales: alimentos que protegen la salud El cuerpo necesita vitaminas y minerales para aprovechar bien los otros alimentos, para la formación de la sangre, los huesos y los dientes, y para que los diferentes sistemas del cuerpo funcionen bien. Ingerir comidas ricas en vitaminas y minerales enferma al cuerpo. Alimentos ricos en vitaminas y minerales: Verduras

Frutas

Cereales de granos integrales

Leche

Queso

Huevos

Pollo

Carne (hígado)

Pescado

Algas de mar

Mis alimentos favoritos del grupo 1.

  Mis alimentos favoritos del grupo 2.

  Mis alimentos favoritos del grupo 3.

  Mis alimentos favoritos del grupo 4.

  Conclusiones:

 

30

Grupo Editorial Patria ®

 

  Actividad formativa

Completa el siguiente mapa conceptual: Los cálculos en las reacciones químicas están basados en dos tipos de reactivos

exceso Se define como

Se define como

sirve para

sirve para

  Actividad formativa con TIC Investiga en Internet el significado de la palabra estequiometría. Seña­ la su importancia en el estudio de la química, así como las implicacio­ nes ecológicas y económicas de los cálculos en las reacciones. Envía por correo electrónico las respuestas a tu profesor.

Actividad transversal

Socioemocional ¿Quién soy? La autoaceptación es el cuarto escalón para alcanzar una autoesti­ ma alta. Aceptar con orgullo las propias habilidades y capacidades, y

reconocer las fallas o debilidades sin sentirse devaluado es el paso más importante para la reconstrucción de la autoestima. Otro punto importante es confiar en el organismo y su naturaleza interna para tener la habilidad de tomar decisiones que realmente se quieren, sin importar la reprobación y la crítica. La reconstrucción de la autoestima se lleva a cabo con la utilización de todo el potencial que se puede manejar, poniéndose metas, haciendo contratos consigo mismo, remodelando actitudes y actividades, actua­ lizando la escala de valores y manejando la agresividad. Se dice que el autoconcepto es aprendido; por tanto, es factible mo­ dificarlo o cambiarlo, y olvidarlo en ciertos puntos. Es necesario rodearse de una atmósfera donde se promueva la confian­ za, el afecto, el respeto y la aceptación, y no seguir en una donde estos valores son ignorados o rechazados; asimismo, es conveniente tener actividades donde sea posible el éxito, y no aquéllas en que se sabe de antemano que se va a fracasar. 31

1

Estequiometría

Ejemplos de no confiar en el organismo: 1. Una persona que está en una fiesta se siente cansada y su or­ ganismo le pide dormir, pero el miedo a quedar mal, al qué di­ rán, o que la rechacen o juzguen, la obliga a quedarse. De esta manera ni goza ni descansa. 2. Una persona sigue trabajando, aunque se encuentra agotada; de esta manera, al no hacer caso a su organismo, corre el riesgo de provocarse un infarto y asimismo, su trabajo es ineficiente. Realiza la siguiente actividad acerca de la pregunta ¿quién soy? con­ testando el siguiente cuestionario en forma personal y después co­ méntalo con tus compañeros de equipo. 1. ¿Qué capacidades o sensibilidades creo tener?

10. ¿Busco personas que me valoren por lo que hago?

  11. ¿Busco personas que me valoren por lo que soy?

  C onclusiones:

 

2. ¿Tengo alguna fuerza especial?



¿Cuál es?

  3. ¿Me trato con respeto o juego a devaluarme?

Actividad formativa

I. Instrucciones: Resuelve los siguientes problemas. 1. ¿Cuál será la masa de un gas que ocupa un volumen de 0.66 L con un peso molecular de 64 g/ mol en C.N.T. y P?

 

2. La fructosa es un azúcar muy dulce que se encuentra en la miel, las frutas y los jugos. Tiene una masa molar de 180 g/mol y una composición de 40.00% de C, 6.7% de H y 53.3% de O. Deter­ mina su fórmula molecular.

5. ¿Pido que los demás respeten mis necesidades o juego a que yo no importo?

3. La hidracina (N2H4) emite gran cantidad de energía al reaccionar con oxígeno, por lo cual se emplea como combustible de cohetes, la reacción es:

4. ¿Qué hago por mí?

  6. ¿Respeto mis urgencias físicas y emocionales, y trato activa­ mente de satisfacerlas?

 

N2H4 + O2 n N2 + 2H2O a) ¿Cuántos moles de N2 se obtienen cuando se efectúa igni­ ción de 40.0 g de hidracina N2H4 pura en presencia de 20 g de oxígeno O2 puro? b) ¿Cuál es el reactivo limitante?

7. ¿Me permito disponer de tiempo para pasarlo con personas que me agradan?

c) ¿Cuántos gramos de reactivo en exceso quedan sin reaccio­ nar?

  8. ¿Reservo tiempo para hacer cosas que me gustan?

II. Instrucciones: Selecciona la opción que consideres la correcta y anótala en los paréntesis de la izquierda.

 

1. (  ) Es la unidad correspondiente a la temperatura absoluta.

9. ¿Hay congruencia entre lo que soy y lo que hago?

 

32

a) °C    b) °R    c) K    d) °F 2. ( 

) El valor 6.023 3 1023 corresponde al número de:

a) Charles  

b) Avogadro

c) Boyle  

d) Gay Lussac

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3. (  ) La ley de la conservación de la masa se cumple en:

14. (  ) ¿Cuántos moles hay en 100 g de una CO(NH2)2?

a) H2 + O2 n H2O + O2

b) 2SO2 + O2 n 2SO3

a) 3.01   b) 1.66   c) 2.37   d) 1.67

c) 2NH3 n H2 + N2

d) KClO3 n KCl

15. (  ) Es un contaminante en el aire:

4. (  ) ¿Qué cantidad de cloro se obtendrá de 150 g de una sus­ tancia que contiene 60.37% de cloro?

a) O2    b) N2     c) CO    d) H2O

a) 80.83 g   

b) 90.55 g

16. (  ) Cuántos litros de CO2 se producen al quemarse 4 litros de gasolina:

c) 100.1 g   

d) 143.4 g

a) 23 L  

b) 9.75 L   c) 32 L  

d) 45 L

5. (  ) El porcentaje de nitrógeno en peso de un mol (H2N)2CO es: a) 23.3%   

b) 31.3%

c) 38.0%   

d) 46.7%

6. (  ) Un compuesto contiene 36.5% de Na, 0.8% de H, 24.6% de P y 38.1% de O. La fórmula más simple del compuesto es: a) Na2HPO3

b) NaH2PO4

c) NaPO3 ∙ H2O

d) Na2P2O3 ∙ 5H2O

7. (  ) Un compuesto contiene un peso de 40% de carbono, 6.7% de hidrógeno y 53.3% de oxígeno. Una muestra de 0.10 moles de este compuesto pesa 6.0 g. La fórmula molecular del compuesto es: a) C3H8O  

b) C2H4O

c) C4H4O  

d) H2CO3

8. (  ) En la reacción SO2 + O2 n SO3 se utilizan 16 g de SO2 y se producen 20 g de SO3. ¿Cuántos gramos de oxígeno se ne­ cesitan?

Evaluación sumativa I. Instrucciones: Selecciona la opción que consideres la correcta y anótala en los paréntesis de la izquierda. 1. (  ) Es la parte de la química que estudia las relaciones de masa en las reacciones químicas. a) Termodinámica

b) Cinética química

c) Estequiometría

d) Equilibrio químico

2. (  ) El enunciado “cuando dos o más elementos se unen para formar un mismo compuesto, lo hacen siempre en una rela­ ción ponderal constante”, se refiere a la ley de: a) Proust  

b) Dalton

c) Lavoisier  

d) Richter

3. (  ) En el fosfato de calcio (Ca3(PO4)2), el porcentaje en peso del fósforo es:

a) 32 g    b) 8 g    c) 4 g    d) 64 g

a) 44.8%   b) 20.0%   c) 36%   d) 68.4%   e) 14.2%

9. (  ) Si se equilibra la siguiente expresión: 4NH3 + 7O2 n 4NO2 + 6H2O, la ecuación resultante muestra que 1 mol de NH3 requiere ______ moles de O2.

4. (  ) El porcentaje que corresponde a cada uno de los elementos que constituyen la glucosa (C6H12O6) es, respectivamente: a) 25%, 50%, 25%

b) 32.3%, 45.12%, 22.58%

a) 1.25   b) 1.33   c) 2.67   d) 1.75

c) 56.1%, 41.2%, 2.7%

d) 40%, 6.66%, 53.33%

10. (  ) ¿Cuántos gramos de Al2O3 pueden producirse a partir de 9 g de Al y 9 g de oxígeno?

e) 32.3%, 26.4%, 41.3%

a) 17 g    b) 18 g    c) 19 g    d) 34 g 11. (  ) Para la reacción SO2 + O2 n SO3 se utilizan 100 ton de oxígeno con 21% de pureza, ¿qué cantidad de SO2 reaccio­ nará? a) 72 ton   b) 84 ton   c) 64 ton   d) 128 ton 12. (  ) En la reacción C2H4 + O2 n C2H4O se obtienen 180 g de óxido de etileno a partir de 120 g de eteno, ¿cuál es el por­ centaje de rendimiento de la reacción? a) 73.5%  b) 99.7%  c) 80.6%  d) 95.5% 13. (  ) De acuerdo con las siguientes reacciones: C + O2 n CO2 y H2 + O2 n H2O, ¿cuántos gramos de carbono (C) reaccio­ nan con 4 g de hidrógeno (H)? a) 4   b) 3    c) 32    d) 12

5. (  ) El peso molecular igual a 252 g/mol corresponde al com­ puesto químico: a) Na2MnO4

b) Bi(NO3)3

d) CuSO4  5H2O

e) (NA4)2Cr207

c) C12H22O11

6. (  ) De los siguientes compuestos, ¿cuál posee mayor cantidad de oro? a) AuCl3 d) Au(NO3)3  

b) AuCl e) AuNO3

c) Au2O3

7. (  ) Es la fórmula que especifica la relación más simple entre el número de átomos de los elementos constitutivos de un compuesto: a) desarrollada

b) condensada

d) molecular

e) estructural

c) mínima

33

1

Estequiometría

8. (  ) El agua que bebemos contiene una gran cantidad de ele­ mentos químicos disueltos. ¿Cuál de las siguientes frases es incorrecta? En el agua potable: a)  el sodio está presente en forma de cationes b)   es frecuente encontrar algunos iones de calcio (Ca2+) c)   no debe haber iones cloruro (Cl1– ) d) una pequeña cantidad de iones fluoruro (F1– ) puede ser benéfica 9. (  ) En la siguiente ecuación, si se tiene un mol de “A”, dos moles de “B” y cuatro moles de “C”, ¿cuál es el reactivo limitante?

A + B  n  2C + 3D a) A    b) B    c) C    d) A y B    e) B y C 10. (  ) La polución fotoquímica está asociada con la presencia en el aire de: a) Partículas suspendidas

b) Hidrocarburos

c) Óxidos de nitrógeno

d) Óxidos de azufre

e) Monóxido de carbono II. Instrucciones: Resuelve los siguientes problemas. 1. ¿Cuántos moles de potasio son 12.046 3 1023 átomos de dicho elemento? 2. ¿Cuántos moles de nitrógeno son 6.02 3 1023 átomos de nitró­ geno?

3. En la siguiente reacción química se representa la electrólisis del agua: 2H2O   n  2H2   +  O2

Agua

Hidrógeno

Oxígeno

¿Cuántos moles de hidrógeno se forman a partir de 2 moles de agua?

¿Cuántos moles de oxígeno se obtienen a partir de 2 moles de agua?

34

¿Cuántos moles de agua se necesitarán para obtener 16 moles de hidrógeno?

¿Cuántos moles de oxígeno se obtendrán a partir de 12 moles de agua?

4. La nicotina, sustancia que se encuentra en las hojas de tabaco en una concentración de 2 a 8%, presenta la siguiente composición: 74% de carbono, 8.7% de hidrógeno y 17.3% de nitrógeno. Si su masa molecular es igual a 162 uma, ¿cuál es su fórmula molecu­ lar? 5. Después de terminar tu almuerzo reciclaste la hoja de papel alu­ minio (Al) en la cual estaba envuelto. Si la hoja pesaba 3 g, ¿cuán­ tos átomos de aluminio reciclaste? 6. El colesterol, sustancia capaz de causar endurecimiento de las arterias, tiene una masa molecular de 386 g y su composición es: 84% de C; 11.9% de H y 4.1% de O. ¿Cuál es la fórmula molecu­ lar del colesterol? 7. El acetileno (C2H2) es un compuesto que se usa como combusti­ ble para soldar. Se obtiene al reaccionar el carburo de calcio (CaC2) con el agua:

CaC2 + H2O  n Ca(OH)2 + C2H2 ¿Cuántos gramos de hidróxido de calcio (Ca(OH)2) y acetileno (C2H2) se obtiene al reaccionar 128 g de carburo de calcio y 144 g de agua?

8. El dióxido de azufre (SO2) se usa para conservar frutas y vegeta­ les, y como desinfectante en cervecerías y fábricas de alimentos. Se produce a partir de la reacción de azufre y gas oxígeno. De acuerdo con la siguiente reacción:

S + O2  n SO2 ¿Cuántos gramos de dióxido de azufre (SO2) pueden prepararse a partir de 100 g de azufre y 200 g de oxígeno? 9. Con un rendimiento de reacción de 90%, ¿cuántos gramos de nitrato de calcio (Ca(NO3)2) se obtendrán con 200 g de ácido nítri­ co (HNO3)?

Ca(OH)2 + HNO3  n Ca(NO3)2 + H2O

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Evaluación sumativa



Ha llegado la hora de que demuestres realmente cuánto has aprendido, hemos terminado este bloque y ahora ya conoces muchas cosas nue­ vas. En esta sección encontrarás una serie de actividades que están diseñadas para valorar los conocimientos y actitudes del proceso de apren­ dizaje adquirido durante el desarrollo del bloque, las cuales te permitirán mejorar tu desempeño a lo largo del curso. Heteroevaluación Propósitos: 1. Identificar los métodos de solución a preguntas de carácter científico para resolverlas correctamente y, a partir de ello, contrastar los resul­ tados obtenidos con los de sus compañeros de clase. 2. Explicar los procesos teóricos que dan solución a los problemas planteados, así como demostrar su utilidad e identificar la importancia que tiene su aplicación en actividades de la vida cotidiana. 3. Reconocer los aspectos teóricos que aporta el estudio de la Química como ciencia para la solución de problemas cotidianos. 4. Valorar el progreso del aprendizaje sobre las nociones científicas, así como el desempeño mostrado durante la actividad. Instrucciones: Analiza las preguntas y problemas que se plantean para ser resueltos de forma individual, posterior a ello comenta tus dudas e intercambia el trabajo con un compañero y valida los resultados obtenidos. I. Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el recuadro de la izquierda. 1.  El valor 6.023 3 1023 corresponde al número de:

a) Charles

b) Gay-Lussac

c) Boyle

d) Avogadro

2.  La ley de la conservación de la masa se cumple en:

  H2O b)  2SO2 1 –12 O2 

a) H2 1 O2  c) 2NH3 

  H2 1 N2 d)  KClO3 

  2SO3   KCl 1 O2

3.  ¿Qué cantidad de cloro se obtendrá de 150 g de una sustancia que contiene 60.37% de cloro?

a)  80.83 g

b)  90.55 g

c)  100.1 g

d)  143.3 g

4.  El porcentaje de nitrógeno en peso de un mol de (H2N)2CO es:

  a) 23.3%

b) 31.3%

c) 38.0%

d) 46.7%

5.  Un compuesto contiene 36.5% Na, 0.8% H, 24.6% P y 38.1% O. La fórmula más simple o mínima es:

a) Na2HPO3  6.  En la reacción SO2 1 O2

b) NaH2PO4

c) Na2P2O3•5H2O

d) NaPO3 • H2O

SO3 se utilizan 8 g de SO2 y se producen 30 g de SO3, ¿cuántos gramos de oxígeno se necesitan?

a)  32 g b)  6 g c)  8 g d)  32 g 7.  Si se equilibra la siguiente expresión:

4NH3 1 7O2 

la ecuación resultante muestra que 1 mol de NH3 requiere

  4NO2 1 6H2O, moles de O2.

a)  1.25 b)  1.33 c)  2.67 d)  1.75 35

1

Estequiometría

 8.  Para la ecuación: SO2 1 O2

a)  120 Ton

SO3 se utilizan 100 toneladas de oxígeno con 21% de pureza, ¿qué cantidad de SO2 reaccionará? b)  64 Ton

c)  60 Ton

d)  30 Ton

9.  El enunciado “cuando dos o más elementos se unen para formar un mismo compuesto, lo hacen siempre en una relación ponderal

constante”, se refiere a la ley de:

a) Proust

b) Dalton

c) Lavoisier

d) Richter

 10.  En el fosfato de sodio Na3(PO4)2, el porcentaje en peso del sodio es:

a)  39% b)  19% c)  42% d)  60%  11.  El porcentaje que corresponde a cada uno de los elementos que constituyen la glucosa (C6H12O6), es respectivamente:

a)  25%, 50%, 25%

b)  32.3%, 45%, 12%, 22.58%

c)  40%, 6.66%, 53.33%

d)  56.1%, 41.2%, 2.7%

 12.  El peso molecular igual a 250 g/mol corresponde al compuesto químico:

a) Na2MnO4

b) Bi(NO3)3

c) C12H22O11

d) CuSO4•5H2O

 13.  De los siguientes compuestos, ¿cuál posee mayor cantidad de oro?

a) AuCl3 b)  AuCl c)  Au2O3

d)  Au (NO3)3

 14.  Es la fórmula que especifica la relación más simple entre el número de átomos de los elementos constitutivos de un compuesto:

a) Desarrollada

b) Condensada

c) Mínima

d) Molecular

 15.  En la siguiente ecuación, si se tiene un mol de “A”, dos moles de “B” y cuatro moles de “C”, ¿cuál es el reactivo limitante?

A 1 B 

  2C 1 3D

a)  A b)  B c)  C d)  AyB

II. Resuelve los siguientes problemas: 1. La fructosa es un azúcar muy dulce que se encuentra en la miel, las frutas y los jugos. Tiene una masa molar de 180 g/mol y una compo­ sición de 40% de C, 6.7% de H y 53.3% de O. Determina su fórmula molecular.

2. La hidracina (N2H4) emite una gran cantidad de energía al reaccionar con oxígeno, por lo cual se emplea como combustible de cohetes. La reacción es: N2H4 1 O2 

  N2 1 2 H2O

a)  ¿Cuántos moles de N2 se obtienen cuando se efectúa ignición de 40 g de hidracina pura N2H4 en presencia de 20 g de oxígeno puro O2? b) ¿Cuál es el reactivo limitante? c) ¿Cuántos gramos de reactivo en exceso quedan sin reaccionar? d) ¿Cuántos moles de potasio son 12.046 3 1023 átomos de dicho elemento? 3. La nicotina, alcaloide que se encuentra en las hojas de tabaco en una concentración de 2 a 8%, presenta la siguiente composición: 74% de carbono (C), 8.7 % de hidrógeno (H) y 17.3% de nitrógeno (N). Si su masa molecular es igual a 162 uma, ¿cuál es su fórmula molecular? 36

Grupo Editorial Patria ®

4. Después de terminar tu almuerzo reciclaste la hoja de papel aluminio (Al) en la cual estaba envuelto. Si la hoja pesaba 3 g, ¿cuántos átomos de aluminio reciclaste?

5. El colesterol, sustancia capaz de causar endurecimiento de las arterias, tiene una masa molecular de 386 g y la siguiente composición: 84.0% de C, 11.9% de H, y 4.1%de O, ¿cuál es la fórmula molecular del colesterol?

6. El acetileno (C2H2) es un compuesto que se usa como combustible para soldar. Se obtiene al reaccionar el carburo de calcio (CaC2) con el agua: CaC2 1 H2O 

  Ca(OH)2 1 C2H2

¿Cuántos gramos de hidróxido de calcio (Ca(OH)2) y acetileno (C2H2) se obtienen al reaccionar 128 g de carburo de calcio y 144 g de agua?

7. El dióxido de azufre (SO2) se usa para conservar frutas y vegetales, y como desinfectante en cervecerías y fábricas de alimentos. Se produ­ ce a partir de la reacción de azufre y gas oxígeno. De acuerdo con la siguiente reacción: S 1 O2 

  SO2

¿Cuántos gramos de dióxido de azufre (SO2) pueden prepararse a partir de 100 g de azufre y 200 g de oxígeno?

8. Con un rendimiento de reacción de 90%, ¿cuántos gramos de nitrato de calcio, (Ca(NO3)2) se obtendrán con 200 g de ácido nítrico (HNO3)? Ca(OH)2 1 HNO3 

  Ca(NO3)2 1 H2O



9. Si 4.44 g de óxido de calcio (CaO) reaccionan con 7.77 g de agua (H2O), ¿cuántos gramos de hidróxido de calcio (Ca(OH)2) se for­ marán? CaO 1 H2O 

  Ca(OH)2



10. ¿Cuántos gramos de sulfuro de níquel II (NiS) se pueden producir por la reacción de 5.75 g de níquel con 5.22 g de azufre? Ni 1 S 

  NiS



11. ¿Cuántos gramos de sulfuro de aluminio (Al2S3) se forman si 9 g de aluminio reaccionan con 8 g de azufre? 2Al 1 3S  

  Al2S3



Nombre del estudiante: Revisado por: Fecha:

37

1

Estequiometría

Autoevaluación Nombre del estudiante:

Propósito: ¿Para qué me sirve la autoevaluación?: n

Reflexionar sobre el logro de los aprendizajes esperados y de­ sarrollo de competencias.

n

Reconocer los conocimientos, habilidades y actitudes que he adquirido durante mi aprendizaje.

n Implementar

estrategias que fomenten el desarrollo de las competencias establecidas en el bloque.

n

n

Valorar mis habilidades y actitudes en situaciones presentes en mi entorno, además de saber cómo me perciben las personas que me rodean.

n

Dirigir mis acciones de manera responsable, respetuosa y em­ pática hacia mis semejantes.

n

Fomentar al diálogo, para la retroalimentación y conclusión de actividades.

Establecer acciones que lleven a mejorar mi proceso de apren­ dizaje.

Grupo:

Fecha de apliclación:

Instrucciones: 1. Lee con atención lo que se indica y realiza la actividad conforme a las indicaciones que se establezcan. 2. Cuando hayas terminado, indica sí o no lo has logrado, o si estás en proceso de lograrlo.

¿Qué sé hacer?

Describo al mol como una medida básica del Sistema Internacional (SI) para medir la cantidad de sustancia. Establezco la relación entre mol, masa atómica y volumen molar. Reconozco la aplicación de mol en procesos químicos presentes en el entorno. Realizo cálculos de masas moleculares a partir de las masas atómicas. Explico la importancia de la Ley de la conservación de la materia. Argumento el uso de la estequiometría como herramienta útil para la sustentabilidad de procesos industriales, ecológicos, entre otros. Aplico el rendimiento de una reacción química de acuerdo con el reactivo limitante. Interpreto reacciones químicas en procesos presentes del entorno. Asumo una actitud propositiva en la sociedad en la que vivo. Expreso mis ideas de forma respetuosa y tolerante ante la diversidad de opiniones.

¿Qué aprendí sobre el desarrollo de los conocimientos? ¿Qué debo mejorar?  Mis conclusiones son: 

38

Logrado Sí

No

Considero que está en proceso porque…

Grupo Editorial Patria ®

Coevaluación Nombre del estudiante:

Propósito: Implementar estrategias que ayuden al logro de los aprendizajes esperados del bloque. Grupo:

Fecha de aplicación:

Instrucciones: n

Leer con mucha atención las preguntas o instrucciones que se deben realizar.

n

Cotejar la información presentada con los criterios de este instrumento e ir marcando con un x según corresponda, y

n

De ser necesario, realizar un comentario en el apartado correspondiente, a fin de que se tome en cuenta para retroalimentar y finalizar la actividad.

Criterios

Cumple Sí

No

Comentarios

Explica los conceptos de los elementos químicos. Localiza elementos químicos en la tabla periódica. Identifica la masa atómica en un elemento de la tabla periódica. Describe la masa molecular de la molécula de un compuesto indicando en qué unidades se expresa. Determina la masa molar de un elemento o compuesto e indica en qué unidades se expresa. Identifica el número de átomos o moléculas que contiene una masa de un elemento o compuesto. Resuelve problemas relacionados con reactivos limitantes y reactivos impuros. Argumenta sus respuestas con base en el desarrollo de los contenidos planteados. Determina la composición de elementos de acuerdo con diversas sustancias. Argumenta la importancia de la estequiometría y sus implicaciones ecológicas y económicas que se manifiestan en el entorno. Como evaluador, ¿consideras que puede mejorar tu compañero o compañera? ¿En qué? Escribe de forma clara tus sugerencias.

Verificado por el profesor o la profesora:

39

BLOQUE

2 30 horas

Sistemas dispersos Propósito Comprueba la utilidad de los sistemas dispersos en diferentes procesos presentes en su entorno, a través de examinar las características distintivas de los mismos y calcula la concentración de las disoluciones.

Conocimientos 2.1 Materia   Sustancias puras: elementos y compuestos   Mezclas: homogénea y heterogénea 2.2 Sistemas dispersos  Solución   Coloide

  Suspensión

2.3 Métodos de separación   Decantación   Filtración   Evaporación   Cristalización   Centrifugación

  Imantación   Tamizado   Sublimación   Destilación

2.4 Concentración de la soluciones   Cuantitativas   Cualitativas 2.5 Propiedades de ácidos y bases   pH   Características

Aprendizajes esperados  Ejemplifica la clasificación de la materia en situaciones de la vida cotidiana.  Clasifica productos de uso cotidiano y sustancias del medio ambiente, de acuerdo al tipo de sistemas disperso al que pertenece.  Utiliza métodos físicos para separar los componentes de mezclas reales e hipotéticas, relacionándolos con procesos de su vida diaria.  Determinar la concentración en soluciones reales e hipotéticas, valorando su aplicación en diferentes situaciones de su entorno.  Explica la importancia de conocer el grado de acidez y basicidad de sustancias de uso común y aquellas relacionadas con el medio ambiente, favoreciendo la toma de decisión consciente.

Habilidades  Diferencia entre elemento, compuesto y mezclas homogéneas y heterogéneas en productos de uso común.  Distingue los sistemas dispersos de acuerdo al tamaño de partícula.  Reconoce las diferencias entre disolución, disolvente y soluto, identicándolas en productos de uso común.  Describe los distintos métodos de separación considerando las propiedades físicas de los componentes de una mezcla.  Identifica las expresiones utilizadas para mostrar la concentración de una solución.  Establece la concentración cuantitativa de soluciones relacionando las cantidades de los componentes que la conformen.  Describe el carácter ácido o básico de una solución acuosa por medio de indicadores.  Clasifica sustancias como ácidas o básicas en función de sus características y su valor de pH.  Explica los procesos que generan la llúvia ácida.

Evaluación diagnóstica Competencias genéricas 3.2 Toma decisiones a partir de la valoración de las consecuencias de distintos hábitos de consumo y conductas de riesgo. 5.6 Utiliza las tecnologías de la información y comunicación para procesar e interpretar información. 11.1 Asume una actitud que favorece la solución de problemas ambientales en los ámbitos local, nacional e internacional. 11.2 Reconoce y comprende las implicaciones biológicas, económicas, políticas y sociales del daño ambiental en un contexto global interdependiente.

Competencias disciplinares básicas 2. Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas. 4. Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. 6. Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas. 11. Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de impacto ambiental. 14. Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana.

Actitudes  Se informa a través de diversas fuentes antes de tomar decisiones.  Se relaciona con los demás de forma colaborativa mostrando disposición al trabajo metódico y organizado.  Actúa de manera congruente y consciente previniendo riesgos.  Muestra un comportamiento propositivo en beneficio de la sociedad o del entorno.  Escucha y respeta diferentes puntos de vista promoviendo el bien común.

Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el recuadro de la derecha. 1. Partícula más pequeña que no puede descomponerse en otra más sencilla:   a)  Molécula b)  Átomo   c)  Mezcla d)  Elemento 2. Las sustancias puras que pueden descomponerse en otras más simples se llaman:   a)  Elementos b)  Compuestos   c)  Electrones d)  Átomos 3. Método que se usa para separar una mezcla de dos sustancias que tienen diferente punto de ebullición:   a)  Evaporación b)  Destilación   c)  Sublimación d)  Filtración 4. Las mezclas se caracterizan porque:   a) Sus componentes tienen propiedades físicas y químicas diferentes.   b)  Su composición es definida.   c)  Se separan sus componentes por medios mecánicos.   d) Se requiere una gran energía para separar sus componentes. 5. La diálisis, la cromatografía y la centrifugación son ejemplos de métodos de separación de:   a)  Elementos b)  Compuestos   c)  Mezclas d)  Coloides 6. Los coloides presentan las siguientes características:   a)  Sedimenta la fase dispersa y sus partículas son grandes.   b) Tienen movimiento browniano y presentan el efecto Tyndall.   c)  No presentan fase dispersa, pero sí dispersora.   d) La fase dispersora se mueve en forma especial y la fase dispersa no. 7. En un solvente puede disolverse mayor cantidad de soluto a una temperatura mayor que la ambiental; la disolución es:   a)  Saturada b)  Concentrada   c)  Diluida d)  Sobresaturada 8. ¿Cuál es el porcentaje en masa de una disolución que se ha preparado al disolver 15 g de cloruro de sodio en 150 mL de agua?   a)  11.73% b)  9.09% c)  6.83% d)  30.63% 9. ¿Qué masa de CuSO4 es necesaria para preparar 3 litros de una disolución 0.5 M?   a)  310 g b)  120 g   c)  80 g d)  240 g 10. ¿Cuál de los siguientes valores de pH corresponde a un ácido débil?   a)  1 b)  5 c)  7 d)  9

2

Sistemas dispersos



Situación didáctica

¿Cómo te ayuda el efecto Tyndall, mediante un análisis experimental, a diferenciar entre una dispersión coloidal y una disolución?



Secuencia didáctica

Con la presentación de tu maestro, reúnete con dos o tres compañeros de clase y realicen la siguiente actividad; comparen los resultados ob­ tenidos con otros alumnos. Contesten las preguntas y anoten sus conclusiones.

Material n  2 vasos de precipitados n  1 lámpara de mano n  1 tarjeta con orificio n  Disolución de sulfato de cobre n  Suspensión de tierra o lodo en agua

1. Agrega una disolución de sulfato de cobre en un vaso de preci­ pitados. 2. Agrega la suspensión de tierra y agua en otro vaso de precipi­ tados. 3. Coloca los vasos sobre una mesa, lo más cerca posible uno de otro. 4. Agítalos brevemente. 5. Prende la lámpara y haz atravesar un rayo de luz sobre los dos vasos, utilizando la tarjeta perforada para concentrar el rayo. 6. Contesta brevemente las siguientes preguntas: a) ¿Puedes ver las partículas en la disolución líquida?

¿Por qué?

b) ¿Puedes ver las partículas en la suspensión?

¿Por qué?

c) ¿Qué clase de mezclas muestra el efecto Tyndall?

d) ¿Qué clase de mezclas no muestra el efecto Tyndall?

42

Grupo Editorial Patria ®

Rúbrica Autoevaluación 1. ¿Ejecuté los pasos del experimento en el orden indicado? 2. ¿Investigué acerca del efecto Tyndall? 3. ¿Qué efecto produce la luz de la lámpara en la disolución? 4. ¿Qué efecto produce la luz de la lámpara en la suspensión? 5. ¿El resultado de los pasos del experimento me lleva a una con­ clusión? ¿Cuál? 6. ¿Puedo aplicar correctamente el experimento anterior a otras sustancias comunes como las siguientes y diferenciarlas en di­ soluciones o dispersiones por el efecto Tyndall? Instrucciones:

c) Acetona:

I. Anota en el espacio correspondiente la palabra “disolución” o dispersión, según corresponda:

m) Yogur:

a) Refresco:

d) Alcohol: e) Agua con azúcar: f ) Agua con sal: g) Miel: h) Clara de huevo:

i) Vinagre: j) Agua mineral: k) Café: l) Leche: n) Rompope: o) Chocolate:

b) Agua de la llave:

Figura 2.1 La disolución es una mezcla homogénea de dos o más especies químicas que no reaccionan entre sí.



  Portafolio de evidencias

Pasos para hacer el portafolio de evidencias. 1. En una computadora crea una carpeta con el nombre Química2. 2. Crea un archivo en un procesador de textos con tu nombre_Química2. 3. Crea dentro de la carpeta Química2 otra carpeta con tu nombre_Bloque2. 4. Dentro de la carpeta Bloque2 guarda las evidencias que indique tu profesor. 5. Envía los archivos por correo electrónico a tu profesor.

43

2

Sistemas dispersos

2.1 Materia   Sustancias puras: elementos y compuestos Las sustancias son los materiales con los que trabaja un químico u otro profesionista y pueden ser puras o no. Las sustancias puras se clasifi­ can en elementos y compuestos. Las mezclas se consideran no puras ya que resultan de la combinación de elementos y/o compuestos. En la naturaleza nos encontramos muchas sustancias: algunas se encuentran solas y otras combinadas. Muchas de estas sustancias simples no pueden dividirse por métodos físicos en otras más sim­ ples; en cambio, otras se pueden transformar por medio de reaccio­ nes químicas, ya sean combinadas o por descomposición. Por ejemplo, observamos que algunas formas de materia parecen cons­ tar de una sola sustancia; por ejemplo, un trozo de azúcar refinado o un trozo de metal de cobre. Estas sustancias, llamadas puras, se caracterizan por una composición definida y constante; identifi­ camos una sustancia pura por sus propiedades físicas (color, olor, sabor, densidad, dureza, etc.) y químicas (combustión, acidez, alca­ linidad, etc.). Aunque es posible identificar una sustancia sólo por sus propiedades físicas, frecuentemente es necesario corroborar investigando también sus propiedades químicas.

Elementos Los elementos son sustancias simples que no pueden descomponerse por métodos químicos ordinarios en algo más sencillo. Algunos ejemplos son: carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), paladio (Pd), oro (Au). De acuerdo con la teoría atómica, la materia se compone de par­ tículas muy pequeñas llamadas átomos. Las sustancias que están compuestas de un mismo tipo de átomos se llaman elementos.

Los elementos químicos son cuerpos simples con los que está consti­ tuida la materia, es decir, los elementos son sustan­ cias formadas por una sola clase de átomos, es decir, átomos con el mis­ mo número atómico. Como ya se explicó en el curso de Química 1, el ori­ gen de los nombres de los elementos químicos, en al­ gunos casos, se remonta a la Antigüedad; por ejem­ Figura 2.3 plo: cobre, del latín, cuAristóteles (384-322 a. C.), el más prum; en otros casos se influyente de los filósofos griegos refiere el sitio de su descu­ aceptó la doctrina de los 4 elementos. brimiento, por ejemplo, americio descubierto en América. Otros más toman el nombre de su descubridor o lo llevan en honor a un científico célebre, por ejemplo einstenio en honor a Albert Einstein. Los símbolos de los elementos son la representación de su nombre y éstos se forman haciendo combinaciones de las primeras letras de la palabra, a fin de diferenciar entre elementos que empiezan con la misma letra; por ejemplo: S 5 azufre (sulphur) Sb 5 antimonio (stibium) Sn 5 estaño (stannum) En 1979 la IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Apli­ cada) emitió una serie de recomendaciones para nombrar a los elementos con número atómico mayor de 100. 1. Los nombres de los elementos deben relacionarse con su nú­ mero atómico. 2. Los símbolos consistirán de tres letras (para evitar duplicidad con aquéllos de número atómico menor a 100). 3. Todos los nombres terminarán con la letra (o), se usarán las raíces numéricas siguientes:

Figura 2.2 Un químico manejando sustancias químicas.

44

0 5 nil

4 5 quad

8 5 oct

1 5 un

5 5 pent

9 5 enn

2 5 bi

6 5 hex

3 5 tri

7 5 sept

Las raíces deberán colocarse juntas en el orden de los dígitos que forman el número atómico. Como ejemplos tenemos:

Grupo Editorial Patria ®

Número atómico

Nombre

Símbolo

Elementos:

104

rutherfordio

Rf

105

dubnio

Db

106

seaborgio

Sg

107

bohrio

Bh

108

hassio

Hs

109

metnerio

Mt

110

ununilio

Uun

111

unununio

Uuu

112

unumbio

Uub

Actividad transversal

113

ununtrio

Uut

114

ununquadio

Uuq

Descubre el mensaje oculto formado con los símbolos de los elementos químicos y escríbelo en el renglón correspondiente.

115

ununpentio

Uup

Fe Er La I Zn

116

ununhexio

Uuh

Dy In Ag

117

ununseptio

Uus

Dy Eu Lr

118

ununoctio

Uuo

Al Mg O Re Y La Am

Aluminio

(Al)

Calcio

(Ca)

Cobre

(Cu)

Nitrógeno

(N)

Oro

(Au)

Yodo

(I)

Fósforo

(P)

Oxígeno

(O)

Uranio

(U)

La mínima unidad de material que puede existir representando las características de un elemento es el átomo. Un elemento tiene áto­ mos iguales entre sí y diferentes a los de otro elemento.

Am Mn I S Te As Dy

En la actualidad se conocen 118 elementos diferentes, 88 de los cua­ les son naturales y el resto son artificiales. El uranio es el elemento natu­ ral que tiene los átomos más complejos. Los elementos tecnecio y prometio tienen átomos más simples que los del uranio, pero no se encuentran en la naturaleza. El astato y el francio sí se han detectado en la naturaleza. Sin embar­go, existen cantidades tan peque­ ñas que no pueden ser separa­ dos con facilidad del mineral. Estos cuatro elementos nor­ malmente no se cuen­tan entre los elementos naturales. La mayoría de los elementos son sólidos, cinco líquidos en condicio­ nes ambientales y doce gaseosos.

Figura 2.4 Elemento químico.

Varios de ellos se conocen desde tiempos muy antiguos, unos son abundantes, otros extremadamente raros; algu­ nos son radiactivos y otros se han sintetizado en laborato­ rios con una vida promedio muy corta.

Mensaje oculto:

Compuestos Los compuestos son sustancias que resultan de la unión química de dos o más elementos en proporciones definidas: se combinan de tal manera que ya no es posible identificarlos por sus propiedades originales e individuales y sólo una acción química los puede separar. Los compuestos se expresan por fórmulas y la mínima unidad ma­ terial que puede existir para representar las características del com­ puesto es la molécula. Algunos ejemplos de compuestos son: agua (H2O), amoniaco (NH3), óxido de calcio (CaO), azúcar (C12H22O11), sal común o cloruro de sodio (NaCl), sulfato de amonio (NH4)2SO4. Los primeros metales se encontraron en forma de pepitas y posi­ blemente fueron trozos de cobre o de oro, ya que éstos son de los pocos metales que se encuentran libres en la naturaleza. Tales de Mileto (640-546 a. C.) filósofo nacido en Mileto (Jonia), se plan­ teó lo siguiente: si una sustancia puede transformarse en otra, por ejemplo, un trozo de mineral azulado puede transformarse en co­ bre rojo, ¿cuál es la naturaleza de la sustancia? ¿Es de piedra o de  cobre? ¿O quizá es de ambas cosas a la vez? ¿Puede, cualquier sus­ tancia transformarse en otra mediante un determinado número de pasos, de tal manera que todas las sustancias no sean sino diferen­ tes aspectos de una materia básica? 45

2

Sistemas dispersos

Para Tales la respuesta era “sí”, porque de esta manera podía intro­ ducirse en el universo un orden y una simplicidad básica. Quedaba entonces por determinar cuál era esa materia básica o elemento. Tales decidió que este elemento era el agua. De todas las sustan­ cias, el agua es la que parece encontrarse en mayor cantidad. El agua rodea la Tierra, impregna la atmósfera en forma de vapor, corre a través de los continentes y la vida es imposible sin ella. Posterior­ mente, Empédocles (490-430 a. C.), nacido en Sicilia, comentó: “pero, ¿por qué un solo elemento? ¿Y si fueran cuatro?” Podían ser el fuego de Heráclito, el aire de Anaxímenes, el agua de Tales, y la tierra, que añadió el propio Empédocles. Aristóteles (384-322 a. C.), el más influyente de los filósofos grie­ gos, aceptó la doctrina de los cuatro elementos. No obstante, no consideraba que los elementos fuesen las mismas sustancias que les daban nombre; es decir, no pensaba que el agua que podemos tocar y sentir fuese realmente el elemento “agua”, simplemente era la sustancia real más estrechamente relacionada con dicho elemento. Aristóteles concibió los elementos como combinaciones de dos par­ tes de propiedades opuestas: frío y calor, humedad y sequedad. Las propiedades opuestas no podían combinarse entre sí. De este modo, se forman cuatro posibles parejas distintas, cada una de las cuales dará origen a un elemento: calor y sequedad originan el fuego; calor y humedad el aire; frío y sequedad, la tierra; frío y humedad, el agua. Aristóteles supuso que los cielos deberían estar formados por un quinto elemento, que llamó éter (que significa ”res­ plandecer”). Como los cielos no parecían cambiar nunca. Aristóte­ les consideró al éter como perfecto, eterno e incorruptible, lo que lo hacía muy distinto de los cuatro elementos imperfectos de la Tierra. Esta teoría duró dos mil años. En el año de 1661 se marca el fin de la Al­quimia, cuando Robert Boyle publicó en su libro El químico escéptico la palabra química, suprimiendo la pri­mera sílaba de “alquimia”. También de­finió los elementos de una forma real y práctica. Si una sustancia podía des­componerse en sus­ tancias más sim­ples, no se trata­ ba de un elemento, pero las sustancias más sim­ples si po­ dían serlo, hasta el momento en que los químicos aprendie­ sen a des­compo­nerlas en sus­ tancias aún más sencillas. Además, dos sustancias que fuesen sendos elementos po­ dían unirse íntimamente para formar una tercera sustancia, llamada compuesto, y en ese caso el compuesto debería poder descomponerse en los dos elementos originales. Figura 2.5 Robert Boyle revolucionó el concepto de la Química.

46

La pureza es una de las ideas más antiguas y recurrentes dentro de la química, pues el grado de pureza de una sustancia y su determinación es fundamental en esta ciencia. La mayoría de las veces, en el laborato­ rio es indispensable trabajar con sustancias puras, para que alguna impureza no eche a perder todo el experimento planeado. Pero en oca­siones tendremos que trabajar con las sustancias impuras para no des­perdiciarlas o desecharlas, y enton­ces se determinará la pureza con la que se utilizan las sustancias en una reacción específica. En la fabricación de medicamentos, alimentos y otros productos químicos, la pureza de las sustancias es fundamental. Obtener una sustancia pura significa haber eliminado otras que la acompañan, pero esta eliminación implica separar sustancias que estaban mezcla­ das o combina­das de la que nos interesa en su estado puro. Y entonces debemos uti­lizar métodos físicos, químicos o ambos para separarlas. Una sustancia pura es una forma de materia que se ca­ racteriza por tener una com­ posición definida y constante Figura 2.6 y posee propiedades que la Ejemplo de elementos: objetos de oro, cobre y estaño. distinguen de otras. Se dice que una sustancia es pura cuando todas sus partes tienen la misma composición y las mismas propiedades físicas y químicas; además de que no se puede separar en otras sustancias por méto­ dos físicos. Una sustancia pura puede estar formada por un elemento o por un compuesto. Ejemplos de elementos son el carbono, el zinc, el esta­ ño, el cobre, etc.; algunos compuestos conocidos son la sal común (cloruro de sodio, NaCl), el agua (H2O), el amoniaco (NH3), y la sosa cáustica (hidróxido de sodio, NaOH). De estos últimos, por ejemplo, la sal común está formada por un átomo de sodio (Na) y un átomo de cloro (Cl); el agua por dos átomos de hidrógeno (H) y uno de oxígeno (O); el  amoniaco, por un átomo de nitrógeno (N) y tres de hidrógeno (H); la sosa o hidróxido de sodio, por un átomo de sodio (Na), un átomo de oxígeno (O) y Figura 2.7 un átomo de hidrógeno (H). Los Ejemplo de compuesto: compuestos presentan las siguien­ agua y alcohol. tes características:

Grupo Editorial Patria ® n  Los

elementos que los constituyen no se pueden distinguir; son sustancias homogéneas.

n  La proporción en que se combinan los elementos siempre es

la misma. n  Los elementos no se pueden separar por métodos físicos. n  Sus propiedades son diferentes de las de los elementos que les

dieron origen.

Mezclas: homogénea y heterogénea La característica fundamental de una mezcla es que su composición es variable, está compuesta por más de una sustancia (elementos o compuestos, que al hacerlo conservan sus propiedades individuales) y sus componentes siempre podrán separarse por medios físicos o mecánicos. Por ejemplo, la madera es una mezcla de diversas sustancias, cuyas proporciones va­ rían dependiendo del tipo de vegetación de la que provenga. Ejemplos de mezclas, según su estado físico: Sólidas

Líquidas

Gaseosas

cemento

alcohol de madera

gas natural

bronce

petróleo

aire

granito

agua de mar

gas doméstico

papel

tinta china

anestésicos

madera

refrescos

pólvora

agua mineral

tierra

Figura 2.8 Capas constituyentes de la atmósfera terrestre con su espesor aproximado.

acero

La mezcla se define como la unión física de dos o más sustancias en proporciones variables, en la que cada una conserva sus propieda­ des originales. A su vez, las mezclas pueden ser homogéneas (una fase): agua con sal, petróleo, aire, alcohol con agua; y heterogéneas (dos o más fases): arena y tierra; agua y aceite; azufre y carbono.

¿Qué es el aire? La delgada capa compuesta por una mezcla de gases que rodea a la Tierra se conserva allí por el efecto de la gravedad. El aire que se encuentra hasta unos 30 kilómetros de altura representa 99% del peso total de la atmósfera. Asimismo, el aire tiene menor peso y menor densidad que el agua y no existe en el vacío. Dos características fundamentales de una mezcla son las si­ guientes: su composición es variable y está compuesta por más de una sustancia.

Las mezclas, ya sean disoluciones, coloides o suspensiones se di­ viden en homogéneas y heterogéneas. Las mezclas homogé­ neas, también denominadas disoluciones, se presentan en una sola fase. Una fase es la región de un sistema químico que presenta sus­ tancias con características físicas y químicas definidas, que se en­ cuentra separada de otras regiones por interfases en las cuales hay cambios súbitos en las propiedades físicas y químicas. Lectura

¿Por qué no se mezclan el agua y el aceite? Si viertes vinagre, vino o jugo de frutas en un recipiente con agua, estas sustancias se mezclan fácilmente entre sí. Pero si agregas gotas de aceite al agua, verás cómo flotan sobre ella. La clave de este fenómeno son las moléculas de ambas sustancias, ya que las del agua tienen una

47

2

Sistemas dispersos

fuerte atracción entre sí, pero no atraen igualmente a las del aceite, que son diferentes. En términos químicos, las moléculas del aceite son no polares y; por tanto, no tienen carga eléctrica para ser atraídas por las moléculas del agua. En la industria se resuelve este problema agregando un emulsificante que modifica las moléculas del aceite para que puedan integrarse. Las cremas protectoras, por ejemplo, combinan ambas sustancias: son emul­ siones de aceite y agua.

Figura 2.11 Por sus propiedades y abundancia en la superficie terrestre, el agua determina el ambiente físico y biológico del hombre.

a)

b)

Figura 2.9 a) Mezcla homogénea (agua y sal). b) Mezcla heterogénea (aceite y agua).

Un ejemplo de mezcla homogénea es el agua de mar, en la que es­ tán disueltas diversas sales como el cloruro de magnesio (MgCl2), cloruro de sodio (NaCl) y cloruro de calcio (CaCl2). Aunque las disoluciones líquidas son las más comunes, no hay que olvidar que el aire es una disolución homogé­ nea formada por varios gases, y que las aleaciones son disolucio­ nes de sólidos en só­lidos, como las amalgamas que usan los dentistas. También el bronce es una disolu­ ción de un sólido en otro, formada por cobre y zinc. Las mezclas heterogéneas pre­ sentan varias regiones, es decir, tie­ nen dos o más fases con propiedades diferentes, las cuales dependen, a su vez, de las propiedades de cada com­ ponente. Por ejemplo, una­ mez- cla de agua y aceite presenta dos fases, al igual que la mezcla de arena con azúcar. En esta última, los 48

Figura 2.10 El vino es un ejemplo de mezcla.

granos de arena y los cris­tales de azúcar se distinguen por medio de una lupa, además de que conservan algunas propiedades de ambos componen­tes y éstos pueden separarse sin que haya un cambio quí­ mico, basta lavar la mezcla con agua suficien­te para que el azúcar se disuelva. El siguiente cuadro muestra algunos ejemplos de mez­clas homo­ géneas y hetero­géneas:

Mezcla

Tipo

Número de fases

Leche

Homogénea

Una

Agua de mar

Homogénea

Una

Agua y aceite

Heterogénea

Dos

Refresco con hielo

Heterogénea

Dos

Figura 2.12 Mezcla homogénea (agua y sal, una fase).

Figura 2.13 Mezcla heterogénea (aceite y agua, dos fases).

Grupo Editorial Patria ® Ejemplos de mezclas: Sólidas

Líquidas

Gaseosas

Cemento

Alcohol de madera

Gas natural

Bronce

Petróleo

Aire

Granito

Agua de mar

Gas doméstico

Papel

Tinta china

Anestésicos

Madera

Refrescos

Oxiacetileno

Pólvora

Agua mineral

Freón

 

A continuación se presentan actividades experimentales que com­ prueban cómo se pueden separar los componentes de una mezcla de acuerdo con su estado físico y propiedades.

Actividad experimental

Mezcla de dos líquidos Con la orientación de tu maestro, integren equipos de cuatro o cinco alumnos y resuelvan esta actividad. Contesten las preguntas y escriban un informe, luego anoten sus conclusiones y expónganlas ante el grupo. Figura 2.14 El bronce es una disolución de un sólido en otro, formado por cobre y zinc.

Actividad formativa

Escribe si cada una de las siguientes mezclas es homogénea o heterogénea, según corresponda: a) Sal disuelta en agua

Propósito Preparar una mezcla homogénea de dos líquidos para comprobar que se forma una sola fase o componente. Material n acetona n agua n vaso

Figura 2.15 Acetona y agua.

b) Agua con arena

Procedimiento

c) Agua con aceite

1. Viertan un poco de acetona en un vaso desechable y huélanla in­ directamente (esto lo deben hacer moviendo una mano sobre el vaso).

d) Agua con hielo e) Agua con hielo y aceite

2. Agreguen un poco de agua. Traten de que sea en la misma proporción que la acetona, aunque no las midan con exactitud. Luego hue­lan indirectamente la mezcla, tal como lo hicieron con la acetona. Contesten las siguientes preguntas:

f) Agua carbonatada

a) ¿Qué estado físico se obtuvo al mezclar agua con acetona?

b) ¿Cuántas fases o capas se observan?

Hay un tipo de mezcla intermedia entre las mezclas homogéneas y heterogéneas que se llama coloide. La diferencia básica entre un co­ loide y una disolución es el diámetro de las partículas. Los diáme­ tros de casi todas las partículas que forman una disolución oscilan entre 0.5 ångströms y 3.0 ångströms (1 ångström 5 1028 cm). En cambio, el tamaño del coloide varía entre 10 y 1 000 ångströms. A pesar de su tamaño, las partículas coloidales son demasiado peque­ ñas para sedimentar y tampoco pueden separarse por filtración. Para ello se utiliza la técnica de diálisis, en la cual una membrana semipermeable permite el paso de los coloides y moléculas de ma­ yor tamaño. El coloide dispersa la luz, pero las disoluciones no. El aire contiene partículas coloidales que dispersan la luz. Otros ejemplos son: el humo del cigarro, la niebla, las emulsiones, la clara de huevo y la espuma de jabón.



¿Por qué?

c) ¿A qué huele la acetona?

d) ¿A qué huele la mezcla de acetona y agua?

49

2

Sistemas dispersos

e) ¿Crees que se puedan recuperar la acetona y el agua por separado? ¿Cómo crees que pueda hacerse?

Conclusiones:

¿Cómo?

e) Al estar separado, ¿el hierro conservará todas sus propiedades?

¿Por qué?

g) ¿El azufre conserva sus propiedades después de mezclado?

Actividad experimental

¿Por qué?

Mezcla de dos sólidos Con la orientación de tu maestro, integren equipos de cuatro o cinco alumnos y resuelvan esta actividad. Contesten las preguntas y escriban un informe, luego anoten sus conclusiones y expónganlas ante el grupo.

Conclusiones:

Propósito Preparar una mezcla heterogénea de dos sólidos para comprobar que se obtienen dos fases o componentes. Material n limadura n azufre

de hierro

en polvo

n hoja

blanca de papel

n espátula

o cuchara

Procedimiento 1. Tomen un poco de limadura de hierro y colóquenla en la hoja blanca. 2. Con una espátula tomen un poco de azufre en polvo y colóquenlo en la misma hoja. 3. Mezclen bien. Contesten las siguientes preguntas: a) ¿Qué color toma la mezcla?

Figura 2.16 Forma de colocar los dos sólidos antes de mezclarlos.

b) ¿A qué huele el azufre? c) ¿A qué huele la mezcla formada?

d) ¿Podríamos separar el hierro?

50

Actividad experimental

Mezcla de un sólido y un líquido Con la orientación de tu maestro, integren equipos de cuatro o cinco alum­nos y resuelvan esta actividad. Contesten las preguntas y escriban un in­forme, luego anoten sus conclusiones y expónganlas ante el grupo.

Grupo Editorial Patria ® Actividad formativa

Propósito Preparar una mezcla homogénea de un sólido (sal de cocina) y un líquido (agua) y comprobar la formación de una sola fase o componente. Material n sal

de cocina (cloruro de sodio, NaCl) n agua

1. ¿De qué sustancias están formadas las amalgamas que utilizan los dentistas para arreglarnos la dentadura?

de la llave

n matraz

Reúnete con dos o tres de tus compañeros y resuelvan las siguientes preguntas. Consulten libros, visiten bibliotecas, o pregunten a un dentista, albañil, etc., incluso pueden recurrir a Internet. Compartan sus respuestas con el resto del grupo.

Erlenmeyer 2. ¿Qué material plástico o resinoso es el que utilizan los dentistas actualmente en lugar de las amalgamas?

de 250 mL n agitador n cuchara

o espátula Figura 2.17 Forma correcta de mezclar agua y sal de cocina.

3. ¿Cómo prepara un yesero el material para que no quede quebradizo al aplicarlo en las paredes?

Procedimiento 1. Viertan aproximadamente 50 mL de agua de la llave en el matraz Erlenmeyer. 2. Tomen un poco de sal con la cuchara o la espátula y agréguenla al matraz. 3. Agiten vigorosamente el agua con la sal. 4. Observen detenidamente y contesten las siguientes preguntas:

4. ¿Cuáles son los componentes de la mezcla de concreto con que se cuelan los techos?

5. ¿Qué sustancias contiene el líquido para los frenos de los automóviles?

a) ¿Qué tipo de mezcla prepararon al unir la sal y el agua? 6. ¿Cómo se fabrica la grasa o crema para calzado? b) ¿Qué le pasó a la sal cuando agitaron la mezcla?

c) ¿Podrían recuperar la sal nuevamente? ¿Cómo?

d) ¿Creen que de ser recuperada la sal conserva sus propiedades?

  Actividad formativa Analiza si las siguientes mezclas son homogéneas o heterogéneas e in­ dica la fase o componentes que se presentan en cada caso. a) Agua con aceite b) Acetona con agua c) Arena de mar y agua

¿Por qué?

d) Leche con agua e) Limadura de hierro y azufre f) Alcohol y agua destilada

Conclusiones:

g) Refresco con hielo Lectura

¿Cómo detectamos una mezcla de sabores? En 1754 Carolus Linnaeus (conocido como Carlos Linneo) planteó la existencia de once tipos de sabores; actualmente sólo se consideran

51

2

Sistemas dispersos

cuatro: salado, ácido, dulce y amargo. Aún no se conoce bien la natura­ leza molecular de los receptores de la lengua, pero cuando las sustancias entran en contacto con ellos, provocan una reacción sensorial que el cerebro traduce o separa. Esto es lo que conocemos como “sabor”. La geometría de las moléculas nos ayuda a percibir el mundo. Así, las formas estructurales de las moléculas que nues­ tra lengua reconoce como “dulces”, son diferentes de las “saladas”. Aunque no está claro cómo nuestro cerebro identifi­ ca los sabores de las sustancias, nuestro sentido del gusto es de gran importancia, pues se trata de una interacción ac­ tiva de naturaleza química, que es una de las cinco maneras que tenemos para percibir nuestro medio ambiente. El sabor, al igual que el olor, es un senti­ do químico. La lengua, con sus más de 9 000 papilas gustativas, es sensible a los cuatro sabores básicos, por lo que el sabor de los alimentos es una mezcla exacta de los cuatro. En el chocolate, por ejemplo, se han reconocido más de 47 compuestos y ninguno, separadamen­ te, tiene “sabor a chocolate”. La leche y el agua de mar son sustancias físicamente homogéneas que se presentan en una sola fase. En cambio, la mezcla de aceite y agua es heterogénea y en ella se observan dos fases. Lo mismo sucede con el refresco y los cubos de hielo.



Figura 2.20 Una atmósfera contaminada es muy perjudicial para la salud. Figura 2.18 Es muy agradable disfrutar el sabor de los alimentos.

Figura 2.19 Con pocos ingredientes se puede elaborar leche condensada.

Actividad formativa

Realiza esta actividad en tu casa. Sigue las instrucciones y elabora un in­ forme escrito con tus conclusiones. Exponlo ante tus compañeros de grupo. Consigue cinco vasos y una cucharadita de las siguientes sustancias: sal, talco, arena, alcohol y aceite, además de agua de la llave. Numera los vasos, agrega agua de la llave hasta la mitad y vierte cada una de las sustancias sólidas mencionadas anteriormente, agítalas y anota si la mezcla resultante es homogénea o heterogénea y por qué: Vaso 1 (agua-sal): Vaso 2 (agua-talco): Vaso 3 (agua-arena): Vaso 4 (agua-alcohol): Vaso 5 (agua-aceite):

52

 

  2.2  Sistemas dispersos

¿Por qué el agua se mezcla con la sal y con el aceite no? ¿Qué tipo de disolución es el latón? ¿Qué función tiene un riñón artificial? ¿De qué está compuesta la leche? ¿Por qué en ciertos medicamen­ tos aparece el letrero que dice “agítese antes de usarse”? ¿De qué depende el que una suspensión sea una mezcla homogénea o hete­ rogénea? ¿El agua de horchata es una disolución, una suspensión o un coloide? ¿El esmog es una disolución, una suspensión o un co­ loide? ¿Por qué cuaja la gelatina? ¿Qué usamos en la piel para ver­ nos mejor? ¿Sabes de qué está compuesta la leche? La mayoría de las sustancias con las que tenemos contacto a diario, consisten de mezclas de sustancias puras. La madera, el papel, la gasolina, los perfumes, el vino, la tierra y el aire son mezclas; algu­ nas como la naranjada o el agua de mar, son llamadas disoluciones, otras son sistemas coloidales como la gelatina o la leche que tomamos todos los días y otras más son denominadas suspensiones como una atmósfera contaminada o polvorienta Ejemplos de sistemas de dispersión: Coloidales

Suspensiones

Gelatina

Mayonesa

Grupo Editorial Patria ®

Coloidales

Suspensiones

Coloidales

Suspensiones

Jalea

Medicamentos líquidos

Neblina

Pinturas

Espuma

Sangre

Aerosol

Merengue

Emulsiones

Humo

Actividad transversal

Preservación del ambiente Hidroponia: Cultivo sin suelo La palabra hidroponia se deriva del griego Hydro (agua) y Ponos (labor, trabajo), lo cual significa literalmente trabajo en agua. Esta palabra fue inventada por W. F. Gericke, profesor de la Universidad de California, a quien le corresponde el mérito de haber comenzado en 1938 realizar los primeros cultivos comerciales sin suelo. Muchos de los métodos hidropónicos actuales emplean algún tipo de medio de cultivo, tales como grava, arenas, piedra pómez, aserrines, arcillas expansivas, carbones, cascarilla de arroz, etc., a los cuales se les añade una solución nutritiva que contiene todos los elementos esenciales necesarios para el normal crecimiento y desarrollo de la planta. El cultivo hidropónico en un principio era solamente en agua, a la cual se le agregaban los elementos nutrientes. A nivel mundial este cultivo se ha desarrollado para abatir el hambre, principalmente en los países del tercer mundo o en vías de desarrollo; aunque también se practica en los países altamente desarrollados, como Japón, Estados Unidos, Alemania, etc. La calidad ampliamente marcada por la sanidad y aceptación en el mercado de los productos hidropónicos, les confiere cierta opción de obtener un mejor precio. Las prácticas de manejo controladas durante todas las etapas de un cultivo, unidas a mejores condiciones nutricionales y sanitarias que las de un cultivo en tierra, le han permitido su aceptación en todos los mercados con mejores precios. 53

2

Sistemas dispersos

El siguiente cuadro muestra el rendimiento comparativo hidropónico contra el tradicional:

Rendimiento comparativo hidropónico vs tradicional Hidropónico

Hidropónico

Hidropónico

Tradicional

Producción Cosecha en T/ha

Núm. de cosechas por año

Rendimiento total por año (T/ha*)

Rendimiento total por año (T/ha*)

Frijol

11.5

4

46.0

6.0

Repollo

57.5

3

172.5

30.0

Vegetal

Pepino

250.0

3

750.0

30.0

Berenjena

28.0

2

56.0

20.0

Lechuga

31.3

10

313.0

52.0

Pimiento morrón

32.0

3

96.0

16.0

Tomate

187.5

2

375.0

100.0

Forraje

2 kg/m2/día

8

–

–

T/ha*: Toneladas por hectárea. Cuestionario 1. Dibuja un sistema hidropónico elemental, de acuerdo con lo mencionado en el texto anterior.

2. ¿Consideras que se obtiene la misma calidad de los productos cosechados en ambos sistemas de cultivo? _____ ¿Por qué?

  3. ¿Se puede aplicar el cultivo hidropónico en un departamento habitacional, igual como ocurre en el campo tradicional? _____ ¿Por qué?

  4. De acuerdo con el cuadro anterior, ¿en qué tipo de sistema de cultivo se obtiene un mayor rendimiento?

  5. ¿Todos los vegetales se pueden cultivar a través de la hidroponia?

  6. ¿En qué sistema se tienen más cosechas?

  7. ¿Qué sistema es más económico, el tradicional o el hidropónico? _____ Justifica tu respuesta:

 

54

Grupo Editorial Patria ® Lectura

Pinturas prehispánicas En el México prehispánico se empleaba un buen número de minerales en la fabricación de colores para pintura: mezclas elaboradas con óxidos de hierro, negro de humo y arcillas mineralizadas. Los españoles exportaron el color rojo que los habitantes prehispánicos obtenían de la cochinilla (nocheztli), o sangre de tunas.

léculas, tenemos un sistema coloidal y en lugar de hablar de disolvente se emplea el término fase dispersora. Para el soluto se usa el término fase dispersa. Con el tiempo las dos fases pueden separar­ se; cuando esto ocurre se dice que el coloide ha floculado. Los coloides también presentan un movimiento permanente y desor­ denado característico de sus partículas, llamado browniano (en honor del botánico escocés Robert Brown, quien lo descubrió).

Comparación entre disolución, suspensión y coloide de acuerdo con el tamaño de la partícula

Figura 2.21 Las pinturas prehispánicas eran mezclas de diferentes minerales, para la obtención de colores.

Figura 2.22 Una atmósfera contaminada es un ejemplo de suspensión.

Los seres humanos hemos teni­do que investigar las propiedades de las mezclas desde hace mucho tiempo, ya que éstas abundan en nuestro planeta, y las sustancias puras en la superficie terrestre son muy pocas, tal vez por esto, la búsqueda y el hallazgo del oro en tiempos pasados era todo un acontecimiento. Hemos tenido que sepa­rar las mezclas y mejorar cada día los métodos para hacerlo; también ha sido necesario apren­der a producirlas con determinadas características. Las mezclas tienen la siguiente clasificación: disoluciones, coloides y suspensiones, considerando el tamaño de las partículas de la fase dispersa. Las mezclas homogéneas, o aparentemente homogéneas, forman sistemas de dispersión, en los cuales una sustancia se extiende en el seno de otra cuando se disgregan algunas de sus partículas por entrar en contacto con otras. Por ejemplo, cuando dejamos caer un terrón de azúcar en un vaso con agua, las moléculas de agua se en­ cargan de dispersar las del azúcar, de tal manera que esta última se distribuye o dispersa en el líquido. En este caso, las moléculas de agua constituyen la fase dispersora, y por lo general se encuentran en mayor cantidad; por su parte, las moléculas de azúcar son la fase dispersa y se hallan en menor can­ tidad. Al sistema completo se le denomina sistema de dispersión. Este tipo de sistema se clasifica en: disoluciones, coloides y suspensiones, según el tamaño de las partículas de la fase dispersa. En otras palabras, el tamaño de las partículas de un coloide se en­ cuentra entre las disoluciones y las suspensiones. Es decir, cuando las partículas de una mezcla homogénea tienen aproximadamente un tamaño de 10 a 10 000 veces mayor que los átomos y las mo­

Nombre

Tamaño de la partícula

Permanencia

Disolución

< 1 nm

Estable

Suspensión

> 100 nm

Se sedimenta

Coloide

< 100 nm pero > 1 nm

Permanente

Nota: nm 5 nanómetro; 1 nm 5 1029 m. Lectura

¿Por qué el agua se considera el disolvente universal? El agua no disuelve todo, pero se esfuerza por lograrlo. Casi la mitad de las sustancias químicas del mundo pueden disolverse en agua. Esto es una ventaja, aunque al mismo tiempo representa un problema, pues los residuos de metales pesados que contienen los desechos industriales contaminan el agua potable, envenenan a los peces y se infiltran en la cadena alimentaria. Sin embargo, quizá nuestra sobrevivencia y la de plantas y animales dependa del poder de disolución del agua, ya Figura 2.23 que al agregar un fertilizante a un Debemos ayudar a preservar sembradío, éste absorberá los el medio ambiente no nutrientes sólo si están disueltos contaminando el agua. en agua.

Solución Cuando las partículas de la fase dispersa en una mezcla homogé­ nea tienen el tamaño de átomos o moléculas, y no se pueden ver a simple vista porque forman una sola fase, se dice que la mezcla es una solución. 55

2

Sistemas dispersos De acuerdo con su estado de agregación, las disoluciones pueden ser sólidas, líquidas o gaseosas y dentro de las características cuali­ tativas de las disoluciones se pueden observar las siguientes: a) En general son transparentes y homogéneas. b) No sedimentan. c) Pueden atravesar cualquier tipo de filtro (excepto las sólidas). d) Las partículas del soluto miden menos de 0.001 de micra.

Tipos de disoluciones* Soluto

Figura 2.24 Ejemplos de disoluciones.

Soluto y disolvente Al componente o componentes que se encuentran en exceso y constituyen la fase dispersora se les denomina disolvente o disolventes. Al componente o componentes que se encuentran en me­ nor proporción y forman la fase dispersa se les llama soluto o solutos.



  

Disolvente

Ejemplos

Gas

Gas

Aire (oxígeno en nitrógeno)

Gas

Líquido

Soda en agua (CO2 en agua)

Líquido

Gas

Aire húmedo (agua en aire)

Líquido

Líquido

Anticongelante (etilenglicol en agua)

Líquido

Sólido

Amalgama dental (mercurio en plata)

Sólido

Gas

Hollín o tizne en aire (carbón en aire)

Sólido

Líquido

Agua de mar (sal de mesa)

Sólido

Sólido

Collar de oro (cobre en oro)

*D  e acuerdo con el estado físico del disolvente, las disoluciones se dividen en sólidas, líquidas y gaseosas.

  Actividad formativa

Completa el siguiente cuadro. ¿Cuáles de las siguientes diez mezclas son disoluciones? Número

Mezcla

1

Azúcar en agua

2

Tierra en agua

3

Sal en agua

4

Piedras en agua

5

Bebida de café instantáneo

6

Jugo de naranja

7

Aceite y agua

8

Bebida de té

9

Agua de mar

10

Sopa de vegetales

56

Se disuelve la sustancia (sí o no)

Soluto (en caso de disolución)

Solvente (en caso de disolución)

Grupo Editorial Patria ®

Disoluciones sólidas Entre las más comunes se encuentran las aleaciones de dos o más metales, por ejemplo, bronce (cobre y estaño); latón (cobre y zinc); acero (hierro, car­ bono, níquel, vanadio); duraluminio (aluminio, cobre, manganeso, magne­ sio, etc.). En odontología, se utilizan las amalgamas, que son aleaciones de un metal plata o estaño (sólido) alea­do con el mercurio (líquido).

Lectura

¿Qué tipo de disolución es el latón?

Figura 2.25 Las aleaciones se utilizan en la acuñación de monedas.

Disoluciones Iíquidas Ejemplos de disoluciones líquidas son el café, pues está prepara­ do con agua (disolvente líquido), café y azúcar (solutos sólidos), el refresco (disolvente líquido) que contiene azúcar, colorante, sabori­ zante (solutos sólidos) y dióxido de carbono (soluto gaseoso); otro ejemplo son las aguas re­ frescantes, que constan de agua (disolvente líquido) y del polvo de sabor (soluto sólido). Mu­ chos medicamentos también son disoluciones líquidas, como el Figura 2.26 suero, las gotas para los ojos, na­ El café es un ejemplo de riz y oídos, los jarabes, y otros.

El latón es una disolución de sólidos, pues en él se mezclan el cobre con el zinc. Las disoluciones sólidas son llamadas comúnmente aleaciones, porque los metales se adhieren o se unen entre sí de manera ordenada. Esta aleación puede variar según las proporciones de los metales que la componen, por ello adquiere diferentes colores que pueden ir del rojo al amarillo intenso, ejemplos: n Es

rojo si contiene entre 91% y 94% de cobre.

n Es

amarillo-rojizo si contiene de 89% a 90% de cobre.

n  Es de color oro si contiene entre 70% a 90% de cobre, 8.33% de

zinc y 0.97% de oro. n Es

amarillo intenso si contiene 60% de cobre y 40% de zinc.

Las llaves y los grifos para el agua pueden estar hechos de una aleación formada por 81% de cobre, 3% de estaño, 13% de zinc y 3% de plomo. Para soldar los objetos de oro se emplean soldaduras de color que tienen 50% de oro, 30% de plata y 20% de cobre. Si tomamos muestras iguales de la aleación, cada muestra tiene los mismos componentes y en la misma cantidad, sin importar de qué parte se hayan tomado. Observa si en tu casa tienes objetos decorativos de latón ya que se elaboran muchos objetos de este material, y verifica el color que tienen. Así sabrás qué contienen.

disolución líquida.

Disoluciones gaseosas Todos los gases son solubles entre sí, de hecho, la mezcla de gases más importante para los seres vivos es la atmósfera. Esta capa actúa como disolvente de muchos gases tóxicos, que emanan de las fábri­ cas, los transportes y los hogares. Figura 2.28 Objeto artesanal elaborado con latón.

 Ósmosis La difusión y la ósmosis son propiedades coligativas importantes en las disoluciones. Las propiedades coligativas se refieren a algu­ nas disoluciones ideales, como la presión de vapor, la presión os­ mótica, así como la temperatura de ebullición y congelación, relacionadas con la presión de vapor, que sólo dependen del núme­ ro de partículas disueltas y no de la naturaleza de la disolución. Figura 2.27 Nuestra atmósfera es un ejemplo de disolución gaseosa.

Por ejemplo, al colocar unas gotas de tinta en un vaso de agua, ésta se empieza a dispersar por el agua. Al transcurrir el tiempo suficien­ te, la tinta se distribuirá uniformemente por toda el agua. 57

2

Sistemas dispersos

Figura 2.29 Gotas de tinta antes de caer en el agua.

Figura 2.30 Difusión de la tinta en el agua.

El proceso anterior se conoce como difusión, el cual se lleva a cabo porque la tinta se mueve de un área de alta concentración a una de baja concentración de tinta. Como analogía equivalente, cuando se transmite calor, éste se desplazará de manera espontá­ nea del cuerpo más caliente al que tiene menor temperatura (hay un gradiente de temperatura). En otras palabras, hay un gradiente de concentración, o una diferencia de cambio gradual en concen­ tración, entre el lugar en el agua donde la tinta se deja caer y el resto del agua. El proceso de difusión se detiene cuando la tinta está dis­ tribuida de manera uniforme por toda el agua, es decir, existe la misma concentración y ya no hay gradiente de concentración. Es mediante este proceso de difusión que se trasladan la mayoría de las sustancias en nuestro cuerpo. La ósmosis se define como un proceso de difusión que implica el paso de agua a través de una membrana semipermeable, como el celofán o las paredes celulares. En este proceso, el agua se mueve desde un área de concentración de soluto baja (hipotónica) hasta un área de concentración de soluto alta (hipertónica). La membrana se­ mipermeable sólo permite que pase por ella el agua, no el soluto. A la presión necesaria para contrarrestar el paso del agua se le llama osmótica. En otras palabras, la presión osmótica se define como la cantidad de presión que se debe aplicar para prevenir el paso del agua a través de una membrana. En relación con este último concepto cuando los dos medios o áreas de difusión tienen la misma concen­ tración y por tanto la misma presión osmótica, no hay difusión y se dice que son isotónicas.

Figura 2.31 Un vaso de precipitados con una membrana semipermeable y las dos disoluciones.

Figura 2.32 Proceso de ósmosis mediante la difusión del agua al moverse, desde un área de concentración de soluto baja, hasta un área de concentración de soluto alta.

Un ejemplo es cuando en un vaso de precipitados se coloca una membrana semipermeable que separa a dos disoluciones: una con concentración de 10% de sacarosa y otra con 30% de sacarosa.

¿Por qué la sacarosa en la disolución de 30% no se mueve a través de la membrana semipermeable para igualar las concentracio­ nes de las dos disoluciones? Esto no ocurre porque una membrana osmótica no permite que las partículas de soluto la atraviesen pero sí permite que las partículas del disolvente la atraviesen libremente.

Al poco tiempo de observar el vaso de precipitados, el agua se mue­ ve desde la disolución al 10% a la de 30%, por medio del proceso de ósmosis.

Una pregunta: Si colocamos dos disoluciones de NaCl (cloruro de sodio), con una concentración de 15% del lado A y de 7.5% del lado B, ¿en qué sentido se mueve el agua, desde A hacia B o viceversa?

58

Grupo Editorial Patria ® El agua se mueve del lado B al lado A. El disolvente se mueve desde el lado de la concentración de soluto bajo hacia el lado de la con­ centración de soluto alto.

Disoluciones isotónicas Cuando en un sistema dos disoluciones ejercen la misma presión osmótica por tener la misma concentración de partículas, éstas no se pueden difundir a ambos lados de la membrana semipermeable y son denominadas isotónicas. Como se mencionó en párrafos previos, este tipo especial de disolu­ ciones se definen como aquéllas que presentan una concentración molar idéntica y, por consiguiente; una misma presión osmótica. Es decir, cuando en una difusión el medio hipertónico (mayor concen­ tración) y el hipotónico (menor concentración) se igualan, no ocurre el fenómeno de la ósmosis a través de la membrana. Es conveniente mencionar que se pueden tener dos disoluciones diferentes en ambos lados de una membrana semipermeable y, sin embargo, ambas ser isotónicas entre sí. Por ejemplo, si en un lado de una membrana semipermeable tenemos una disolución 0.1 molal de glucosa y en el otro lado una disolución 0.1 molal de fructosa, ambas disoluciones son diferentes, pero tienen el mismo número de partículas de soluto por unidad de volumen y por tanto ambas ejercerán la misma presión osmótica

la concentración de solutos y por tanto la presión osmótica. Circulan alrededor de 1 900 litros diarios de flujo sanguíneo a través de los riñones, los cuales tienen la forma de frijoles y pesan unos 140 g y miden 3.8 cm de grosor, con 6.4 cm de largo. Cuando hay bastante líquido en el cuerpo, los riñones excretan más agua y si hay poco, la retienen. En épocas calurosas, excretan menos orina, porque se pierde más líquido sudando a través de la piel y ocurre lo contrario cuando hace frío. A través de los riñones se filtran 170 litros de agua diariamente, excretándose sólo un litro y medio en forma de orina; es decir, se reabsorbe el 99% del agua.

Figura 2.34 Los riñones filtran la sangre del aparato circulatorio.

Actividad formativa Forma un equipo de trabajo con algunos de tus compañeros y elaboren carteles que informen acerca de la importancia de tomar suficiente cantidad de agua como medida preventiva para el buen funcionamiento de los riñones. Después acudan con sus vecinos y distribuyan los carteles.

Coloide Un coloide es una mezcla en la que el soluto está formado por partícu­ las muy pequeñas que se encuen­ tran suspendidas en un líquido sin precipitar y tienen un diámetro in­ ferior al de una suspensión, pero mayor que las partículas de una disolución. Figura 2.33 Disoluciones isotónicas.



  Lectura

¿Para qué sirven los riñones? Los riñones son órganos especializados que tienen como función principal extraer agua y sales del plasma sanguíneo para mantener estable

En el momento en que un rayo de luz pasa a través de una disolución,  parte de la luz será absorbida y Figura 2.35 otra parte será transmitida. Las par­ John Tyndall dando tículas en la disolución no son lo una conferencia. suficientemente grandes para dis­ Grabado contemporáneo. persar la luz. Sin embargo, si la luz The Gránger Collections. incide a través de un coloide, es dispersada por las partículas coloidales más grandes y el haz de luz se hace visible por los lados. Este efecto, llamado efecto Tyndall (en 59

2

Sistemas dispersos

honor de John Tyndall, quien lo descubrió en 1869), lo puedes ob­ servar cuando se proyecta una película y, a través del rayo de luz, apa­ rece una serie de pequeñas partículas que flotan en el aire. También es posible que lo hayas visto en los rayos del Sol que pasan a través de las persianas de una ventana (partículas de polvo suspendidas en el aire). El término coloide significa parecido a la cola (del griego kola, pega­ mento; y eidos, forma). La ciencia de los coloides representa hoy día una de las ramas más importantes de la fisicoquímica. Los co­ loides se encuentran entre las suspensiones y las disoluciones.

Tipos de dispersiones o sistemas coloidales Fase dispersa

Medio dispersor

Nombre

Ejemplos

Sólido

Gas

Aerosol

Humos, esmog

Sólido

Líquido

Sol

Puré, cerveza

Sólido

Sólido

—

Vidrios coloreados

Líquido

Gas

Aerosol

Nubes, niebla

Líquido

Líquido

Emulsión

Aderezos, mayonesa, mantequilla

Líquido

Sólido

Gel

Gelatinas, ópalos

Gas

Gas

—

Gas doméstico

Gas

Líquido

Espuma

Crema batida

Gas

Sólido

—

Merengue, pan, piedra pómez

Uno de los coloides más representati­ vos que se encuentra en la cocina es la gelatina. Cuando está dispersa en agua caliente forma lo que se llama sol. Al enfriarse forma un gel, un lí­ quido disperso en un sólido. En la Ciudad de México y otras grandes ciudades padecemos un coloide muy perjudicial que conocemos como esmog, formado por partículas sólidas dispersas en un gas (aire).

zag, llamado browniano.

n Pueden separarse por centrifugación o diálisis. n Presentan el efecto Tyndall.

  Actividad formativa Con la orientación de tu maestro integren equipos de cuatro o cinco alum­nos y realicen la siguiente actividad. Hagan pasar un rayo de luz, como se muestra en la figura, por medio de una lámpara de mano a través de las siguientes sustancias. Anota en el es­ pacio correspondiente si son disoluciones, coloides o suspensiones.

Figura 2.37 Efecto Tyndall. Proyección de la luz de una lámpara sobre diferentes sustancias de uso cotidiano.

1. Refresco 2. Agua de la llave 3. Acetona 4. Alcohol 5. Agua con azúcar 6. Agua con sal 7. Miel 8. Clara de huevo 9. Vinagre 10. Agua mineral 11. Café 12. Leche 13. Yogur 14. Rompope 15. Chocolate De las sustancias anteriores, ¿qué características tienen las disoluciones?

Figura 2.36 Movimiento browniano.

partículas de 0.1 micras aproximadamente atraviesan fil­ tros, mas no membranas.

60

n Sus partículas están dotadas de movimiento vibratorio en zig­

En seguida, contesten las siguientes preguntas:

Características cualitativas de los coloides n Sus

n Sus partículas no sedimentan y son visibles sólo en conjunto.

¿Los coloides? ¿Las suspensiones? Conclusiones. De acuerdo con las actividades realizadas, anoten sus con­ clusiones acerca de las diferencias entre las disoluciones, coloides y sus­ pensiones. Comparen y discutan sus conclusiones con el resto del grupo.

Grupo Editorial Patria ® Lectura



Actividad experimental

¿En qué consiste la pasteurización de la leche?

¿Qué es el efecto Tyndall?

Es un tratamiento que consiste en calentar la leche a una temperatura comprendida entre 60 ºC y 70 ºC, a la cual mueren gran número de bacterias, y en dejarla enfriar después para impedir el desarrollo de otras. A mayores temperaturas se conseguiría la destrucción total de las bacterias, pero la leche cambia de sabor y de color, y sobre todo parece que pierde alguna de sus propiedades nutritivas.

Con la orientación de tu maestro reúnete en equipos de cuatro o cinco alumnos y resuelvan esta actividad experimental. Contesten las preguntas y compá­renlas con las de otros equipos. Discutan las respuestas en las que tengan dudas. Anoten sus conclusiones. Adicionalmente realicen una investigación en diversos libros de Química sobre el efecto Tyndall y entreguen un reporte con los resultados.

Es muy recomendable la pasteurización de la leche destinada a los niños, ya que a la leche en mal estado puede atribuirse la tercera parte de la mortalidad de los niños menores de tres años. Con este tratamiento, aunque la leche no quede purificada por completo, sus efectos per­judiciales quedan altamente reducidos. Para practicar esta operación en casa procede de la siguiente manera: llena casi por completo una o varias botellas con leche, tápalas con algodón o con cualquier otra sustancia absorbente  y colócalas en una vasija adecuada Figura 2.38 que contenga agua en cantidad tal que La leche pasteurizada sufre pase un poco por encima del nivel de la un proceso térmico, el cual leche. Calienta entonces el agua hasta tiene el objeto de reducir los 65 ºC, o hasta el punto de ebullición los agentes patógenos que pueden contener: bacterias, (100 ºC) para mayor  purificación. Es mohos y levaduras. preciso que retires la va­sija del fuego y la cubras con una franela durante media hora para que conserve bien el calor. Al cabo de este tiempo saca las botellas y enfríalas lo más rápidamente que se pueda, ya sea en agua fría o en hie­lo; después consérvalas en un sitio fresco hasta su consumo, que debe hacerse dentro de las 24 horas siguientes a su pasteurización.

Propósito Aplicar el efecto Tyndall para la identificación de coloides. Material n 2

vasos de precipitados

n 1

lámpara de mano

n 1

tarjeta con un orificio

n disolución

de sulfato de cobre (CuSO4)

n suspensión

de tierra o lodo en agua

Figura 2.39 Proyección de la luz de una lámpara sobre diferentes sustancias de uso cotidiano.

Procedimiento 1. Agreguen la disolución de sulfato de cobre en un vaso de precipitados. 2. Agreguen la suspensión de tierra y agua en otro vaso de precipitados. 3. Coloquen los vasos sobre una mesa lo más cerca posible uno de otro. 4. Agítenlos brevemente. 5. Prendan la lámpara y hagan atravesar un rayo de luz sobre los dos vasos. a) ¿Qué efecto tiene la lámpara prendida sobre las sustancias?



Actividad formativa

Responde las preguntas del siguiente cuadro:

b) ¿Qué tipo de mezclas muestra el efecto Tyndall?

¿Cuáles de las siguientes seis mezclas son disoluciones? Pregunta

Disoluciones

Suspensiones

c) ¿Qué otra aplicación tiene el efecto Tyndall?

¿Las partículas se disuelven? ¿Las partículas sedimentan?

Conclusiones:

¿La mezcla es transparente? ¿Las partículas reflejan la luz? ¿La mezcla es turbia? ¿Puedes ver las partículas?

61

2

Sistemas dispersos

Actividad experimental

Elaboración de agua de horchata Con la orientación de tu maestro reúnete en equipos de cuatro o cinco alumnos y resuelvan esta actividad experimental. Contesten las preguntas y compárenlas con las de otros equipos. Discutan las respuestas en las que tengan dudas. Anoten sus conclusiones. Propósito Analizar qué ocurre con los componentes, verificar que algunos de ellos sedimentan y que hay que moverla para que se homogenicen y se beba el agua. Material n 1 lata de leche evaporada

n 1

licuadora

n 1

n 1

cuchara

taza de arroz

n canela

molida

n suficiente n azúcar

agua

al gusto

n 1

lata de leche condensada

n 1

olla de tres litros

Procedimiento 1. En el vaso de la licuadora vacíen la leche evaporada, el arroz, la canela, la leche condensada y un poco de agua. 2. Licuen los ingredientes. 3. Vacíen el licuado en la olla, la cual debe contener un poco de agua. 4. Enjuaguen el vaso de la licuadora con más agua y vacíenlo a la olla. 5. Pongan suficiente agua a la olla y agítenla con una cuchara. ¿Qué ocurrió cuando mezclaste los ingredientes? Contesten las siguientes preguntas: Al agitar los ingredientes ¿éstos se disuelven en el agua?

¿Después de un tiempo se sedimentan los ingredientes?

¿Qué tipo de sistema de dispersión formaste? Conclusiones:

Figura 2.40 El riñón artificial ha logrado prolongar la vida de muchas personas.

bor cilíndrico con una hoja de pergamino tirante en el fondo, que se coloca sobre un recipiente con agua. El líquido que ha de tratarse se vierte en el tambor o parte superior, y al cabo de cierto tiempo toda la materia disuelta habrá pasado a través del diafragma al agua; en el tambor se queda la parte coloidal no cristalizable. Las membranas que impiden el paso de los coloides se llaman dia­ lizantes, y como ejemplos tenemos al celofán, el pergamino, el algo­ dón mercerizado y algunos plásticos. El riñón artificial que sustituye al riñón humano posee una membra­ na de este tipo. Las sales de desecho disueltas en la sangre atraviesan la membrana, pero las proteínas y otros coloides no. Por lo general el término diálisis denota la acción de separar coloides de no coloides. Desde su descubrimiento por T. Gram en 1861, su utilidad se reco­ noce como método de laboratorio. Su aplicación industrial no es muy común debido a ciertas limitaciones, como son la lentitud del proceso en comparación con otras operaciones químicas y la nece­ sidad de aparatos especiales. Las membranas dializantes están presentes en animales y plantas, y el fenómeno de la diálisis constituye un proceso biológico de gran im­ portancia. De hecho, las membranas de las células del cuerpo son de tipo dializante. Estas membranas proporcionan el medio para la transferencia del agua, de las moléculas de tamaño normal y de los iones que entran y salen en las células del organismo, en tanto que las partículas coloidales y las moléculas de gran tamaño se conservan dentro de las paredes celulares o no se les excluye de ellas. Los riñones humanos constituyen un sistema dializante complejo que es el responsable de la separación de las toxinas de la sangre. Estos productos son eliminados por la orina. Cuando los riñones fallan, las toxinas se almacenan y, a la larga, envenenan el cuerpo.

Diálisis Es la separación de dos o más sustancias mediante una membrana porosa en agua (diafragma), la cual divide las sustancias cristalizables de las que no pueden efectuar dicho proceso. El aparato empleado para esta operación se llama dializador, y consiste simplemente en un tam­ 62

Actividad experimental

Diálisis Con la dirección de su maestro reúnanse en equipos de cuatro o cinco alumnos y realicen la siguiente actividad. Contesten las preguntas y elaboren un informe escrito con sus conclusiones; discútanlas con todo el grupo.

Grupo Editorial Patria ®

Propósito

alimentos y de las demás actividades de nuestro organismo, los riñones actúan como una espumadera y filtran los desechos de la sangre. Luego, mezclan los desechos con algo de agua (eso es la orina: desechos corporales mezclados con agua) y la mandan al cubo de la basura personal, la vejiga, la cual vacías cuando vas al baño.

Conocer y aplicar este método en artículos cotidianos. Material n 1

soporte universal

n 1

pinzas para matraz

n hilo n 1

cáñamo

bolsita de celofán

n gelatina

en polvo

n azúcar n 1

vaso de precipitados de 200 mL con agua

Figura 2.41 En la bolsa de celofán se coloca la mezcla de gelatina con azúcar como se observa en esta figura.

Procedimiento 1. Coloquen una mezcla de gelatina con azúcar en una bolsita de ce­ lofán. 2. Amarren la bolsita con el hilo cáñamo. 3. Cuélguenla de las pinzas que están en el soporte universal, de tal manera que quede sumergida dentro del agua que está en el vaso. 4. Esperen 30 minutos aproximadamente. ¿Qué ocurre? ¿Qué función tiene el papel celofán? Conclusiones:

Tus riñones; sin embargo, no se parecen mucho a una espumadera. En realidad, se parecen a dos frijoles del tamaño de un puño y se encuentran dentro de tu cuerpo, debajo de las costillas y hacia la espalda.

Floculación La floculación es la precipitación de las sustancias que se hallan emulsionadas o en disolución coloidal. Este fenómeno puede ocurrir por diver­ sos factores, como: el calor, la electricidad, por sustancias o agentes químicos, etc. El ejemplo más común de floculación es el de las partí­ culas arcillosas arrastradas por los ríos: cuando llegan a un estuario las sales de agua marina las floculan o sea las precipitan en el fondo en forma de copos. Este proceso precede a la coagulación y consiste en la precipitación de las partículas sólidas, las cuales, sin fundirse unas con otras permanecen aprisionadas en la masa. La floculación puede clasificarse en tres categorías, según el tama­ ño de las partículas en suspensión: a) sólidos en suspensión en el agua; b) partículas coloidales (menos de 1 micra) y c) sustancias disueltas (mucho menores que 1 micra). Las aguas naturales con­ tienen sustancias disueltas, tanto de origen orgánico, como inorgá­ nico. Algunas de las sustancias disueltas son tan pequeñas que no se pueden eliminar por simple sedimentación.

Lectura

¿Nadarías en una alberca sucia? Cuando vemos una alberca limpia a la mayoría de nosotros se nos an­ toja nadar, pero imaginémonos que esa agua no fuera tan clara o limpia. ¿Qué pasaría si estuviera llena de hojas, cabellos, bichos ahogados y otras cosas? Seguramente que no te gustaría que esa piscina en la que te gusta nadar se ensuciara tanto. Antes de zambullirte, buscarías algo como un rastrillo o una red, una especie de espumadera para el agua, y quitarías todas las cosas asquerosas que hubiera en la piscina y las sacarías, colocándoles en el bote de la basura. Bueno, eso es más o menos lo que hacen nuestros riñones. Cuando se acumulan en la sangre los desechos que sobran de descomponer los

Figura 2.42 Fenómeno de la floculación.

63

2

Sistemas dispersos

Las aguas naturales contienen sustancias tanto disueltas como en suspensión, ambas pueden ser orgánicas e inorgánicas. Las ma­terias en suspensión pueden tener un tamaño y densidad tal que pueden eliminarse del agua por simple sedimentación, pero algunas partículas son de un tamaño tan pequeño (entre 1 µm y 0.2 µm) y tie­ nen una carga eléctrica superficial que las hace repelerse con­ti­ nuamente, impidiendo su aglomeración y formación de una par­ tícula más pesada para poder así sedimentar. Tanto la coagulación como la floculación tienen lugar en etapas sucesivas para permitir la formación de microflóculos, apenas evidentes a simple vista, has­ ta obtener flóculos más grandes para someterlos a la siguiente etapa que es la sedimentación. Es muy importante en estas etapas mante­ ner una agitación adecuada para dispersar el coagulante y obtener una óptima coagulación. La floculación se ve mejorada con el em­ pleo de coadyuvantes de ésta, conocidos como polielectrolitos, que suelen ser macromoléculas de polímeros orgánicos (tipo poliacrila­ midas). En la actualidad las instalaciones de floculación son muy variadas, pueden ser desde depósitos sencillos de floculación, con placas de­ flectoras, hasta aquéllas provistas de agitadores mecánicos de pale­ tas. También hay instalaciones llamadas floculadores-decantadores en las se realizan simultáneamente el mezclado, la coagulación, la floculación, la sedimentación y la eliminación de los precipitados.

Con la dirección de su maestro reúnanse en equipos de cuatro o cinco alumnos y realicen la siguiente actividad. Propósito Observar el proceso de floculación en un producto alimenticio. Material L de leche tibia

n agua

embotellada (250 mL)

n 1.5 g de cloruro de sodio (sal

común al gusto)

n 2.5 mL de cloruro de calcio a n 1 olla de 6 L (de peltre) 2 50% n 1m de manta de cielo n 2.5

mL de cuajo líquido

n 1

paleta de madera

n 1

molde para queso

Procedimiento: 1. Vaciar 5 litros de leche en la olla de peltre y calentar a fuego suave (aproximadamente a 37 °C). 2. En un recipiente de plástico colocar 100 mL de agua y disolver el cloruro de calcio (CaCl2), cuando esté disuelto agregar a la olla que contiene la leche. 3. En un recipiente de plástico colocar 100 mL de agua y agregar 2.5 mL de cuajo líquido. Esta preparación se agrega a la olla que

64

4. Dejar reposar durante media hora, después de este tiempo, colocar en la superficie del queso una cuchara pequeña de metal y si ésta no se sumerge, la cuajada está lista.

Figura 2.43 Queso panela, llamado también queso canasta, es fresco y no requiere de maduración, se produce en cuajadas de la leche.

5. Cortar el cuajo en trozos de 1 cm2 y pasarlo a la manta para que se escurra el suero. (El suero será utilizado posteriormente.)

6. Una vez separado el suero del queso, agregar a este último 1.5 g de cloruro de sodio y mezclar agitando continuamente. 7. Finalmente, moldeen el queso obtenido con el molde de canasta para queso previamente mojado. 8. El suero extraído en el paso 5, se calienta hasta que hierva durante 40 minutos (en una olla de 6 litros), se deja reposar y separar por decantación. El sólido formado es el requesón.

Actividad experimental

Elaboración de queso tipo canasta y requesón

n 5

contiene la leche, sin dejar de mover la mezcla.

Superficie de absorción Los sistemas coloidales tienen una característica muy importante: tienen una gran superficie de contacto. Ya que las partículas son tan pequeñas en comparación con la fase dispersante o superficie, se presenta con frecuencia el fenómeno de absorción en el cual las moléculas o átomos de una sustancia se unen a la superficie de sólidos o líquidos. Es decir, ocurre una retención, adhesión o con­ centración en la superficie de un sólido de sustancias disueltas o dispersas en un fluido (gas o líquido). Por lo general cuando un sólido se encuentra en contacto con una disolución, la sustancia disuelta tiende a concentrarse en la superfi­ cie de contacto. Lo mismo ocurre con los gases que contienen una sustancia en suspensión. Este fenómeno tiene muchas aplicaciones tanto en la vida cotidia­ na como en la industria, donde la separación del alquitrán en los gases se efectúa por absorción y las tierras absorbentes se usan en las refinerías para purificar aceites, gasolina y otros productos deri­ vados del petróleo. La superficie de absorción es aquella que permite la acción de apode­ rarse de las moléculas de un tejido vivo de sustancias que entran en contacto con él, ya sea en estado líquido o gaseoso, como ocurre en la asimilación de los alimentos y en la respiración, en que la sangre

Grupo Editorial Patria ® absorbe oxí­geno. Por ejemplo, cuando se administra un fár­ maco vía intravenosa, éste se deposita en la corriente circula­ toria y accede a todas las células del organismo. Estos fármacos sufren procesos de absorción para poder llegar a la sangre. La absorción de nutrientes se presenta cuando las enzimas Figura 2.44 di­gestivas han disociado a las Las mascarillas antigases contienen un carbón coloidal para mo­ léculas de alto peso mo­ absorber los gases tóxicos. lecular, como son las proteínas, polisacáridos, ácidos nucleicos y lípidos; los productos son ab­ sorbidos por la pared del intesti­ no, especialmente el intestino delgado. Los intestinos del hom­bre y otros seres vertebra­ dos están muy plegados, para aumentar la superficie por la que se produce la absorción. Además se presenta una serie Figura 2.45 incontable de vellos, que cu­ Para blanquear el azúcar morena se aplican tierras diatomeas, bren toda la superficie de la que son algas microscópicas que mucosa intestinal, cada vello tie­ absorben los pigmentos. ne una red de ca­pilares sanguí­ neos y un capilar linfático en su centro, al cual son transferidos los nutrientes. Una tercera adaptación para aumentar la superficie es la presencia de numerosas prominen­ cias cilíndricas estrechamente unidas, llamadas microvellos, ubicadas en la superficie de cada célula epitelial del intestino. Juntos, los plie­ gues, vellos y microvellos, proporcionan una enorme superficie por la que puede producirse la absorción. La absorción es un complejo proceso producido en parte por sim­ ple difusión física, en parte por difusión facilitada y en parte por transporte activo. Lectura

El intestino delgado La función primordial del intestino delgado es la digestión y absorción de los alimentos. Sin embargo, la absorción no es específica para nutrimentos, sino que cualquier otra sustancia, con estructura o propiedades similares a los nutrimentos, que llegue, ya sea por sí sola o presente como contaminación de los alimentos, podrá también ser absorbida. En el caso de todas las sustancias tóxicas que llegan al intestino delgado y se absorben, éstas pasan al hí­gado por medio del sistema portal. Si el

Figura 2.46 El intestino delgado, tiene como función absorber los nutrientes necesarios para el cuerpo humano.

organismo no tiene la capacidad de metabolizar rápidamente la sustancia absorbida, ésta podría originar toxicidad. Ya en el hígado estas sustancias pueden ser transformadas en metabolitos hi­ drosolubles que pueden ser eliminadas por la orina o por las heces. El hígado también puede transformar la sustancia absorbida en otras sustancias más tóxicas. En el caso de la eliminación por medio de la orina, la sustancia es transportada en la circulación sanguínea hacia los riñones, donde es filtrada a través del glomérulo y transportada a través de los túbulos hasta el túbulo colector, donde la orina ya forma­da es llevada a la vejiga urinaria. E n el caso de la eliminación por heces, la sustancia es secretada por medio de la bilis hacia el intestino grueso.

Suspensión Una suspensión es una mezcla formada por un soluto en polvo o en pequeñas partículas no solubles y sedimentables en el líquido dispersor en que se encuentra. Las suspensiones pueden ser homogéneas o heterogéneas depen­ diendo del tamaño de las partículas que constituyen en la fase disper­ sa. Cuando estas partículas son grandes, la fuerza de la gravedad las obliga a sedimentarse o asentarse. Si son muy pequeñas, la acción de la gravedad se compensa por la fuerza de flotación y las partículas pueden permanecer suspendidas en la fase dispersante indefinida­ mente. Estas propiedades se aprovechan en muchos me­dicamentos. Cuando las mezclas son entre dos líquidos no miscibles o insolu­ bles entre sí, se llaman emulsiones. El agua y el aceite es un ejem­ plo de dos líquidos que no se mezclan. Una emulsión es una suspensión permanente de dos líquidos inmiscibles, en presencia de un agente emulsificante. Las partículas en suspensión son muy pequeñas, por lo ge­ neral de menos de una micra de diámetro. Al agitar aceite en agua, se forma una emulsión temporal, para hacerla perma­ nente se agrega una disolución de jabón, que impide que las partículas de aceite se unan. La Figura 2.47 leche es una emulsión estabili­ Muchos medicamentos vienen en forma de suspensiones. zada por la caseína. 65

2

Sistemas dispersos

Entre las principales características cualitativas de las suspensiones, se tienen las siguientes:

génea con grumos y no homogénea, se puede tapar la aguja, hacien­ do muy dolorosa la inyección.

n  Son partículas con dimensiones mayores a las de una solución. n  Se pueden observar a simple vista o con un microscopio, debi­

do a que son de mayor tamaño que las que se encuentran so­ luciones y los coloides.

n  Las partículas sedimentan si se deja la suspensión en reposo. n  Se pueden

separar los componentes por medio de métodos físicos sencillos: decantación, filtración, evaporación, centri­ fugación.

Tipos de suspensiones Fase dispersora

Ejemplo

Agua

Antiácidos

Paquete globular

Suero

Sangre

Grasa y crema

Suero

Leche en descomposición

Fase dispersa Hidróxido de aluminio con hidróxido de magnesio

n  Al agitar la suspensión ésta se enturbia, no se transparenta ni

es homogénea.

n  No atraviesan los filtros.

También existen suspensiones utilizadas como laxantes y lubrican­ tes intestinales, y antibióticos de amplio espectro para atacar diver­ sos microorganismos.

  Actividad formativa

Disoluciones, coloides y suspensiones

Como ejemplos de medicamentos en forma de suspensión está el Pepto-Bismol, indicado para agruras, diarrea y malestar estomacal. Asimismo, existe el Agarol, que es una suspensión laxante y lubri­ cante intestinal. El Ampil, que es un antibiótico de amplio espectro para diversos microorganismos. En algunos casos, al comprar un medicamento que viene en estado sólido, se le debe agregar cierta cantidad de agua hasta que el soluto se dispersa de manera unifor­ me. Hay otros ya preparados, pero en ambos casos es conveniente agitarlos antes de usarlos, como ya se mencionó.

Instrucciones: Escribe, en el espacio, la palabra falso o verdadero, según corresponda para cada uno de los enunciados siguientes:

Algo muy importante que debes tener en cuenta es que es delica­ do  automedicarse, porque tomar un medicamento no adecuado o  en cantidad no requerida, puede agravar el malestar o causar daño en las personas.

5. Las partículas suspendidas se asientan por gravedad.

Ejemplos de suspensiones en los medicamentos

7. Las partículas de una suspensión son del tamaño de las moléculas.

Gran cantidad de medicinas para niños se presenta en forma de suspensiones, para que los infantes las ingieran por vía oral, pero también hay muchas para adultos y para cualquier edad, en las que se tiene que preparar la suspensión momento antes de suministrarla; por ejemplo el Benzetacil y la ampicilinas que se inyectan. En estos casos, si no se prepara bien la suspensión, y queda como una mezcla hetero­ 66

1. Las suspensiones son mezclas. 2. Las partículas en las suspensiones se asientan. 3. Las suspensiones son transparentes. 4. Las suspensiones son turbias. 6. En una suspensión las partículas pesadas se asientan al último.

8. Las partículas en las suspensiones detienen la luz.

Lectura

Los antibióticos

Figura 2.48 Disolución del azúcar (soluto) en agua (disolvente).

La penicilina es uno de los antibióticos más útiles: combate ciertas cla­ ses de infecciones, inclusive muchas que producen pus. Sin embargo, no es útil en la mayoría de los casos de diarrea o infecciones de las vías urinarias, ni sirve para dolor de espalda, golpes que no cortan la piel, catarro, viruela loca u otras infecciones causadas por virus.

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La penicilina se mide en miligramos (mg) o unidades (U). Para penici­ lina G, 250 mg 5 400 000 U. La penicilina es una de las medicinas más seguras. No hace daño tomar demasiada (solamente se malgasta el dinero). Además, si no se usa la cantidad adecuada, no cura la infección completamente y las bacterias se pueden hacer resistentes. En ciertas personas, la penicilina provoca trastornos alérgicos. Las reac­ciones más leves incluyen ronchas con comezón o sarpullidos. Muchas veces éstos aparecen unas horas o días después de tomar penicilina, y pueden durar varios días. Ra­ras veces, la penicilina causa un trastorno peligroso, llamado choque anafiláctico. Las características de este problema consisten en que poco tiempo después de que se inyecta la penicilina, la persona de repen­te se pone pálida, tiene dificultad para respirar y cae en estado de choque. Es preciso inyectar adrenalina de inmediato. La pe­­nicilina tomada G o V (Pen-Vi-K) o Phenocil K también viene en forma de suspensión o polvos para suspensión con 125 o 250 mg por cucharadita. La pe­nicilina V tiene mejores resultados que la penicilina G. Se recomienda penicilina toma­da (en vez de inyectada) para infecciones más o menos leves, inclusive para postemilla (infección o absceso de muela), llagas o heridas infectadas, muchos granos con pus, erisipela, infección de oído, sinusitis, dolor de garganta con calentura o fiebre alta (infección por estreptococo), algunos casos de bronquitis y para evitar tétano en personas que no han sido vacunadas y que tienen heridas muy sucias o profundas. La ampicilina es una penicilina de amplio espectro y hay más de 70 marcas de ampicilina por ejemplo: Pentrexyl, Binotal, Penbritin, entre otras.



informe escrito con resultados y conclusiones; compárenlo y discútanlo con los otros equipos. Propósito Distinguir cuál es el soluto y cuál el disolvente entre el aceite y el vinagre. Material n aceite

n vinagre

n 2

n 

vasos comunes



1 yema de huevo

Procedimiento 1. A 10 mL de aceite, agreguen una cantidad igual de vinagre. ¿Se disuelven los dos líquidos?

2. Agiten los líquidos y observen qué pasa inmediatamente.

¿Qué pasa después de algunos minutos?

3. Ahora agreguen una yema de huevo a la mezcla y agiten nuevamente. Anoten lo que ocurre.

4. ¿Cuál es la diferencia entre un coloide y una suspensión?

5. ¿En este experimento cuál es el coloide?

6. ¿Cuál es la suspensión?

Figura 2.49 La penicilina fue el primer antibiótico empleado en medicina, su descubrimiento fue en 1928 por Alexander Fleming.

7. ¿Cuál es el nombre común para el producto final obtenido? Conclusiones:

Actividad experimental

Acción emulsificante Con la orientación de tu maestro, reúnete en equipos de cuatro o cinco alumnos y resuelvan esta actividad experimental. Contesten las preguntas y elaboren un Figura 2.50 Mezcla de vinagre y aceite.

Lectura

¿Qué usamos en la piel para vernos mejor? Hace 7 000 años, en Egipto se utilizaba antimonio y malaquita en polvo  como sombra para párpados. Allí mismo, los faraones empleaban aceites perfumados para el pelo. La creencia era que la belleza y en par­ ticular la apariencia externa, influían sobre las demás personas. Des­de

67

2

Sistemas dispersos

entonces y tal vez desde el hombre prehistórico, los cosméticos, sustancias que se emplean para “aumentar la belleza de una persona”, forman parte de nuestra vida cotidiana por la misma cuestionable razón. Todos los cosméticos se aplican sobre la piel y generalmente son sistemas coloidales, así que veamos primero qué es la piel: Es un órgano muy importante que tiene una superficie total en el ser humano cercana a 2 m2 y cuyo espesor varía entre 0.5 mm (párpados) y 3 mm (palmas de las manos y plantas de los pies). Sus funciones principales son: cerrar el cuerpo, impidiendo la entrada y salida de sustancias extrañas, además de que conserva la humedad, controla la temperatura corporal a través del sudor y la penetración de la luz solar y transmite al cerebro información sobre la temperatura y la presión externas. La piel se compone de dos capas superpuestas: la superficial, llamada epidermis, está integrada a su vez por dos capas, la externa y la interna. La externa, que está compuesta por células muertas y queratina (que es una proteína fibrosa), se va desprendiendo en capas (como sucede por ejemplo con la caspa); la interna está integrada por células vivas que reemplazan continuamente las exteriores. La queratina tiene un contenido de agua de 10%. Cuando el porcentaje es menor la piel se vuelve seca y quebradiza y cuando es mayor se presentan condiciones favorables para el crecimiento de microorganismos. En la capa interior, la dermis, se encuentran los receptores táctiles, los folículos pilosos, los vasos sanguíneos y las glándulas sudoríparas. El sebo es una secreción aceitosa producida por las glándulas sebáceas y protege la piel contra la pérdida de humedad. En condiciones normales, el contenido de agua en la piel es mayor que en el ambiente, por lo que ésta se evapora de nuestro cuerpo. El calor y el viento facilitan este hecho, lo cual ocasiona que la piel se reseque, al igual que el uso frecuente del jabón. La aplicación directa de agua a la piel no la humidifica, ya que ésta es insoluble en agua (de lo contrario, nos disol

veríamos al bañarnos). Se requiere que una sustancia aceitosa (y que contenga agua) penetre al interior de la epidermis y además impida la pérdida de humedad por evaporación. Esta sustancia es una loción o una crema, o sea, un tipo de cosmético.

Figura 2.51 El objetivo de los cosméticos es lograr que el usuario se vea más atractivo.

Una loción es una emulsión de aceite en agua, mientras que una crema es lo opuesto. Los aceites pueden ser de muy diversos tipos y comúnmente se emplean mezclas de ellos. Así, tenemos la lanolina (grasa purificada de la lana), la vaselina, el aceite de almendras, la cera blanca de abejas, el espermaceti (cera obtenida del esperma de las ballenas), el aceite de oliva, el de aguacate y el de cacahuate, entre otros. Una parte básica de estos productos es el agente emulsificante, que mantiene estable la emulsión. Muchas cremas y lociones tienen gran diversidad de ingredientes que, con excepción de la glicerina, son de dudoso valor para mejorar la calidad de la emulsión pero sí son un buen pretexto para incrementar su precio. En­tre éstos están los perfumes, colorantes, hormonas, emolientes (sustan­ cias que ablandan la piel, como lo hace la vaselina), vitaminas y otras. Los lápices de labios tienen una composición muy semejante a la de las cremas, aunque en éstos se incrementa la proporción de ceras (abeja, carnauba, candelilla, por ejemplo), con objeto de darles una consistencia más sólida. Contienen además colorantes (el más usado es la tetrabromofluoresceína), perfumes para ocultar el olor de las grasas (lanolina y otras) y antioxidantes para evitar que se vuelvan rancias.

  Actividad formativa

Completa el siguiente mapa conceptual. SISTEMAS DISPERSOS pueden ser

Disoluciones

68

Suspensiones

se definen como

se definen como

se definen como

tres ejemplos son:

tres ejemplos son:

tres ejemplos son:

Grupo Editorial Patria ®

    2.3  Métodos de separación

Figura 2.52 A diario utilizamos una gran diversidad de materiales modernos que tienen su origen en la combinación de diferentes sustancias.

¿Con qué finalidad se separan los componentes de una mezcla? ¿Cómo seleccionas el champú con que te bañas? ¿Cómo puedes separar el alcohol que está combi­ nado con el agua? ¿Cómo separa­ rías los componentes de la tinta negra que contienen los bolígrafos o marcadores? ¿Cómo se­ pararías el aceite del agua? ¿De qué material está hecho un fusi­ ble térmico?

Las mezclas son los materiales con los cuales más frecuente­ mente trabaja el químico; ade­ más de prepararlas, debe separar o purificar sus componentes. La separación de mezclas es una tarea fundamental en el laboratorio y en el área industrial, ya que en nues­ tro planeta la mayoría de los materiales naturales se encuentran mezclados y hay que purificarlos. Como ya mencionamos, existen mezclas sólidas, gaseosas y líqui­ das. Las mezclas en estados intermedios constituyen los sistemas de dispersión. La composición de las mezclas puede variar ampliamente, debido a que cada componente retiene sus propiedades; sin embargo, po­ demos separar una mezcla en los componentes originales, aprove­ chando las diferencias en sus propiedades físicas. Por ejemplo una mezcla heterogénea de limaduras de hierro y de oro se puede sepa­ rar individualmente por su color. Un método idóneo sería utilizar un imán para atraer las limaduras de hierro y hacer a un lado las de oro. También podríamos utilizar las diferencias en sus propiedades químicas para separarlas, aunque alguno de los componentes sufri­ ría un cambio en su estructura. Por ejemplo, si a la mezcla anterior se le agrega ácido clorhídrico (HCl), éste disolverá el hierro (Fe)

formando el cloruro férrico (FeCl3) y no ocurrirá nada al oro. La mezcla resultante se lava y se filtra y nos quedará únicamente el oro. Una gran diversidad de materiales modernos que utilizamos a dia­ rio tiene su origen en la combinación de diferentes sustancias, que han permitido, entre otras cosas, prolongar la vida de muchas per­ sonas o hacerla más placentera e impedir que se sientan excluidos, por ejemplo mediante el implante de prótesis, válvulas cardiacas artificiales o lentes intraoculares. La separación de las mezclas puede basarse en el equilibrio de fa­ ses. Algunas mezclas contienen sustancias en diferentes estados de agregación, por ejemplo, sólido-líquido, líquido-vapor, o sólidovapor, y en cada caso se explican métodos de separación diferentes. Veamos algunos de ellos. Para la separación de mezclas, los métodos más comunes son: de­ cantación, filtración, centrifugación, destilación, cristalización, evaporación, sublimación, imantación, solubilidad, y cromatogra­ fía. A continuación se explican dichos métodos.

Decantación Este método es utilizado para separar un sólido de grano grueso e insoluble mezclado con un líquido. Consiste en verter el componente líquido después de que se ha sedimentado el sólido. Este método también se aplica en la separa­ ción de dos líquidos que no se mezclan por sus diferentes densidades; en este caso se utiliza un embudo de separación. Un ejemplo, a ma­ yor escala, es la separación de petróleo y agua de mar: en los yacimientos localizados en aguas marinas, se extrae agua y petróleo que son separados al decantarse; el petróleo, por ser menos denso, permanece en la parte superior del agua. Lue­ Figura 2.54 Decantación. Se coloca la mezcla y go de la decantación, el agua se se deja reposar. Cuando se separan devuelve al mar y el petróleo los dos líquidos se abre la llave para dejar salir el líquido más denso. se almacena.

Actividad experimental

Separación de arena y agua Figura 2.53 Las prótesis mejoran la calidad de vida. En su fabricación se utilizan materiales resistentes que favorecen una masticación adecuada.

Con la orientación de tu maestro, integren equipos de cuatro o cinco alumnos y resuelvan esta actividad. Contesten las preguntas y escriban un informe. Anoten sus conclusiones y expónganlas ante el grupo. Propósito Aplicar el método de decantación para separar un sólido de un líquido.

69

2

Sistemas dispersos

Actividad experimental

Separación del aceite y el agua Con la orientación de tu maestro, integren equipos de cuatro o cinco alum­nos y resuelvan esta actividad. Contesten las preguntas, discútanlas y analicen sus comentarios. Comparen sus repuestas con las de otros equipos, elaboren un informe escrito con sus conclusiones y expónganlas al grupo. Figura 2.55 En un vaso se agrega agua y después arena. En otro vaso se observa la arena ya decantada.

Material n 2

vasos de precipitados de 100 mL

n un

poco de arena

n un

poco de agua (50 mL)

n 1

agitador de vidrio

Procedimiento 1. Mezclen la arena y el agua en uno de los vasos de precipitados. 2. Déjenla reposar unos minutos. 3. ¿Qué sucede?

Propósito Aplicar el método por decantación para separar dos líquidos inmiscibles (que no se mezclan) y de diferente densidad. Material

Figura 2.56 Separación de dos líquidos no miscibles utilizando un embudo de forma de pera.

n 1

probeta graduada de 100 mL

n 1

soporte universal con anillo de hierro

n 1

embudo de separación en forma de pera

n 50

mL de agua de la llave

n 50

mL de aceite de cocina

n 2

matraces Erlenmeyer de 250 mL

Procedimiento 1. Coloquen el embudo en el soporte universal. 2. Pongan 50 mL de aceite de cocina en el embudo. 3. Agreguen 50 mL de agua de la llave en el mismo embudo.

4. Vacíen en el otro vaso de precipitados el líquido reposado, cuidando que las partículas sólidas queden en el fondo.

4. Quiten el embudo del soporte universal, tápenlo y agiten vigorosamente la mezcla.

5. Si les es posible, escurran el líquido con ayuda del agitador para tener un apoyo.

5. Coloquen de nuevo el embudo en el soporte universal y déjenlo re­ posar unos minutos, hasta que se separen los dos líquidos.

6. ¿Se separó completamente el agua de la arena? Justifiquen su respuesta:

6. ¿Qué líquido quedó en la parte inferior?

7. Den otro ejemplo de este método de separación de mezclas. 7. ¿Por qué? Conclusiones:

8. Destapen el embudo, abran la llave que regula el paso de cada lí­­quido y, con cuidado, decanten cada uno en un matraz Erlenmeyer.

70

Figura 2.57 Mezcla de aceite y agua antes de separarse.

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Propósito

¿Para qué se destapa el embudo?

Separar un sólido fino (óxido de calcio, CaO) de un líquido (agua, H2O). Es conveniente aclarar que al mezclar el óxido de calcio o cal con el agua, se obtiene un compuesto llamado hidróxido de calcio (Ca(OH)2). Material

¿Qué otros líquidos puedes separar por este método?

n 2

vasos de precipitados de 100 mL

Conclusiones:

n 1

embudo de tallo corto

n 1

soporte universal

n 1

anillo de hierro

n 1

triángulo de porcelana

n 1

g de óxido de calcio (CaO)

n 60

mL de agua

n algodón

Filtración Este método permite separar un sólido insoluble de grano relativamente fino que esté mezclado con un líquido. Para tal operación se emplea un medio poroso de filtración o una membrana que deje pasar el líquido y retenga al sólido. Los filtros más comunes son: papel filtro, fibra de as­ besto, algodón, fibra de vidrio, fibras vege­ tales, redes metálicas y cal.

n 1

o papel filtro

agitador de vidrio

Figura 2.59 Filtración simple del agua de cal.

Procedimiento 1. Viertan 60 mL de agua en un vaso de precipitados y agreguen aproximadamente 1 g de óxido de calcio (CaO). Agiten vigorosamente. 2. ¿Qué ocurre?

Figura 2.58 En la filtración el residuo sólido queda en el papel filtro.

El material o equipo utilizado para la fil­ tración se basa en el tamaño de los sóli­ dos disueltos en un líquido. Otro ejemplo de las aplicaciones de la filtración se encuentra en el proceso de obtención de cerveza, donde se emplea un filtro de forma circular, construido  con acero inoxidable, de unos cinco metros de diámetro, para separar de la malta los sólidos restantes del arroz o del lúpulo. Después, el líquido o caldo ya filtra­ do, denominado mosto, recibe tratamientos. La filtración por vacío es una operación como la anterior, sólo que en ella interviene una bomba para extraer aire y conseguir así un filtrado más rápido.

3. Filtren esta mezcla a través de un algodón o de un papel filtro para separar el sólido fino del líquido. Reciban el filtrado en el otro vaso de precipitados. 4. ¿Qué sustancia quedó en el papel filtro?

5. ¿Qué estado físico presenta?

6. ¿Qué otro medio poroso puede utilizarse para filtrar?

7. ¿Dónde más se podría aplicar este método de separación?

Conclusiones:

Actividad experimental

Filtración simple Con la conducción de tu profesor, reúnanse en equipos de cuatro o cinco alumnos y realicen la siguiente actividad. Contesten las preguntas y preparen un informe escrito con sus conclusiones. Discútanlas con el resto del grupo.

71

2

Sistemas dispersos

Evaporación

n polvo

Es el método con el cual se separa un líquido de un sólido mediante el incremento de la temperatura. El líquido hierve o bu­ lle y se transforma en vapor, quedando el sólido como residuo en forma de pol­ vo seco; el componente líquido puede o no recuperarse. Este método se em­ plea para concentrar sólidos en una di­ solución, pues con él se elimina parte del líquido o solvente que la compone. En el laboratorio, la evaporación se lle­ va a cabo en un crisol; en la industria, se realiza en evaporadores.

mL de disulfuro de carbono (CS2). Precaución: No lo huelan directamente

n 5 n 1

En un cristalizador mezclen el polvo de azufre (S), la limadura de hierro (Fe), y 5 mL de disulfuro de carbono (CS2). ¿Qué ocurre? Figura 2.60 Evaporación de una disolución acuosa de cloruro de sodio.



Actividad experimental

Cristalización Con la conducción de su maestro reúnanse en equipos de cuatro o cin­ co alumnos y realicen la siguiente actividad. Escriban un reporte con sus conclusiones y expóngalo al resto de sus compañeros. Propósito Separar dos sólidos mediante la cristalización de uno de ellos por acción de un disolvente. Material n 1

cristalizador de 3 cm de diámetro

n 1

lupa

n 1

vidrio de reloj

72

Decanten y dejen cristalizar el azufre en el vidrio de reloj (tengan cuidado de que no haya fuego cercano), hasta que desaparezca completamente el disulfuro de carbono (CS2). Observen con una lupa lo que queda en el vidrio de reloj. ¿Qué observan con la lupa?

La cristalización se refiere a la acción y efecto de cristalizar o cristalizarse. Por este método se pueden obtener y utilizar muchas sus­ tancias en el laboratorio y en la industria. Por ejemplo, si fundimos y luego enfriamos lentamente el azu­ fre, éste se cristaliza. Tam­ bién, si sublimamos una sustancia y luego condensa­ Figura 2.61 mos sus vapores en una su­ Cristalización del cloruro de sodio. perficie fría, éstos se cristalizan, por ejemplo los cristales de yodo. Otro método de cristalización se basa en la simple disolución y evaporación de una sustancia, como se hace para obtener los crista­ les de la sal común o cloruro de sodio.

en polvo (S)

probeta de 10 mL

Procedimiento

Cristalización

n azufre

de limadura de hierro (Fe)

¿Qué función tiene el disulfuro de carbono?

Conclusiones:

Centrifugación Es un método basado en la di­ ferencia de densidades y se utiliza para separar un sólido insoluble, de grano muy fino y de difícil sedimentación que esté mezclado con un líquido. La centrifugación consiste en someter la mezcla a un rápido movimiento giratorio, sepa­ rando las sustancias por dife­ rencia de densidades.

Figura 2.62 Centrifugadoras de laboratorio.

La operación se lleva a cabo en un aparato llamado centrifugadora, en la que, por medio de un movimiento de traslación acelerado, se aumenta la fuerza gravitacional, provocando la sedimentación del sólido o de las partículas de mayor densidad. Los corpúsculos o el paquete globular de la sangre se separan por centrifugación en un suero.

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Actividad experimental

Centrifugación Con la conducción de tu profesor reúnanse en equipos de cuatro o cinco alumnos y realicen la siguiente actividad. Contesten las preguntas y preparen un informe escrito con sus conclusiones. Discútanlas con el resto del grupo.

¿Qué otro método utilizarían después para separar las dos fases?

Conclusiones:

Propósito Separar por este método un sólido insoluble de grano fino y de difícil se­ dimentación. Material n 1

g de cal (óxido de calcio, CaO)

n 1

tubo para centrifugadora

n 50

* Si no cuentan con una centrifugadora pueden dejar reposar la mezcla por 10 mi­ nutos.

mL de agua de la llave

n 1

popote

n 1

vaso de precipitados de 250 mL

Procedimiento 1. Viertan 50 mL de agua de la llave en un vaso de precipitados y añadan 1 g de cal. Agiten vigorosamente. 2. Pongan 5 mL de la mezcla en el tubo para centrifugadora.

Imantación En este método se aprovecha la propiedad de algunos materiales para ser atraídos por un campo magnético. Los materiales ferrosos, por ejemplo, pueden ser separados de la basura por medio de un electroimán y así quedar listos para un tratamiento posterior.

3. Soplen con un popote dentro del tubo que contiene la disolución. ¿Qué observan?

Posteriormente, lleven el tubo a la centrifugadora y háganla funcionar durante tres minutos aproximadamente*. ¿En qué parte del tubo quedó el sólido?

¿Por qué?

Figura 2.63 Materiales ferrosos atraídos por un imán.

Tamizado ¿Y la parte líquida en dónde quedó?

¿Por qué?

Permite separar dos sólidos formados por partículas de tamaño di­ ferente, utilizando un tamiz o colador. Las partículas de menor ta­ maño traspasan por los poros de tamiz atravesándolo y las de mayor tamaño quedan retenidas en el mismo. El tamiz puede ser de metal o plástico. Por ejemplo: trozos de arena mezclados con harina, sal fina y sal de grano. La arena gruesa se pasa por un colador fino y sale solamente la arena fina. 73

2

Sistemas dispersos

Mezcla de arena y grava

Grava (material retenido)

Caja de alimentación

Figura 2.64 El tamiz es la separación de dos sólidos como trozos de arena mezclados con harina, azúcar o sal de grano.

Arena (material que pasa por el tamiz o colador)

 Solubilidad Permite separar sólidos de líquidos o líquidos de líquidos al contacto con un solvente que reacciona con uno de los componentes de la mezcla. El compo­ nente soluble es arrastrado por el solvente para su posterior separa­ ción, la cual puede hacerse por decantación, filtración, vaporización, destilación, etc. Este proceso habrá de dejar en estado puro a la sustan­ cia separada. Ejemplos de separación por solubilidad se pueden en­ contrar en la preparación y análisis de productos farmacéuticos.

Cromatografía Este método consiste en separar, con ayuda de solventes, mezclas de gases o de líquidos al conducirlas a través de un medio poroso y ade­ cuado. El equipo para tal operación puede ser tan simple como una

columna rellena, un papel o una placa que contienen el medio poro­ so, o bien un equipo tan sofisticado como lo es un cromatógrafo. Con este proceso se separan y analizan mezclas de aire, productos extraídos de plantas, animales y productos elaborados, ya sea tintas, lápices labiales, entre otros. Para ejemplificar fácilmente este tipo de separación se usan un gis y agua: en la parte media del gis se hace una marca de tinta con, por ejemplo, un plumón, luego el gis se co­ loca en agua sin que ésta llegue a la marca. Después de un tiempo se verán los componentes de la tinta. En este caso, el gis es el me­dio y el agua es el solvente. En seguida se presentan algunos ejemplos de métodos de separa­ ción en la industria: Método de separación

Aplicación industrial Obtención de licores y de alcohol etílico de 96º.

Destilación

Extracción de aceites. Obtención de productos derivados del petróleo y aire líquido.

Cristalización

Producción de azúcar, sal y antibióticos.

Filtración

Purificación o clarificación de la cerveza y del agua. Fabricación de filtros de aire. Separación del petróleo mezclado en agua de mar.

Decantación

Figura 2.65 La solubilidad es utilizada frecuentemente en productos farmacéuticos.

74

Figura 2.66 Una mancha de tinta se descompone en varios colores si está en un medio poroso que también absorbe agua.

Tratamiento de aguas residuales. Separación de metales. Purificación de ácido benzoico, purificación de azufre.

Sublimación

Separación de compuestos orgánicos. Fabricación de hielo seco. Liofolización.

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Evaporación

Cromatografía

Concentración de jugos de frutas. Obtención de la sal del mar y de otras sales, como la de magnesio. Fabricación de leches concentradas. Deshidratación de frutas. Separación de pigmentos y de proteínas. Obtención de colorantes para cosméticos. Fabricación de azúcar. Separación de polímeros.

Centrifugación

Separación de sustancias sólidas de la leche. Separación del plasma de la sangre. En análisis químicos y de laboratorio (sangre y orina).

n 1

cápsula de porcelana

n 1

mechero de Bunsen

n tela

de asbesto

n 1 vaso de precipitados de 100 mL n 1

espátula

n 1

tripié o soporte universal con anillo de hierro

Procedimiento 1. En un vaso de precipitados de 100 mL mezclen algunos cristales de yodo con 1 g de arena (aproximadamente). 2. Tapen el vaso con una cápsula de porcelana que contenga agua.

 Sublimación Es el paso de una sustancia en estado sólido al estado gaseoso, sin pasar por el estado líquido. Por ejemplo, a presión atmosférica (760 mmHg a nivel del mar), el hielo seco (dióxido de car­ bono, CO2) se sublima. Este fenómeno puedes verlo en el “humo” que sale de los carritos de paletas que vemos por la ca­ Figura 2.67 lle. Otro ejemplo lo puedes Separación del yodo por sublimación. observar en las pastillas deso­ dorantes para el baño, las cuales aromatizan el ambiente al pasar del estado sólido al gaseoso. Al proceso inverso de la sublimación (de gas a sólido, sin pasar por líquido) se le conoce como deposición.

Actividad experimental

3. Calienten el vaso hasta que desaparezca la coloración violeta (tengan precaución pues los vapores del yodo son tóxicos). ¿Qué observan a través del vaso de precipitados?

¿Cuál es color del gas?

¿Qué propósito tiene llenar con agua de la cápsula?

Sin quitar la cápsula, dejen enfriar el vaso y, cuando ya no vean vapores, destápenlo. Desechen el agua cuidadosamente y volteen la cápsula para obser­ varla. ¿Qué quedó en la base de la cápsula?

Sublimación del yodo ¿De qué color es la sustancia obtenida?

Con la conducción de tu profesor reúnanse en equipos de cuatro o cinco alumnos y realicen la siguiente actividad. Contesten las preguntas y preparen un informe escrito con sus conclusiones. Discútanlas con el resto del grupo.

Menciona tres sustancias que se puedan obtener por este método.

Propósito Separar el yodo de una mezcla arena-yodo, aprovechando que el yodo se sublima. Material g de yodo (I2). Precaución: No lo toquen, pues es tóxico

n 1 n 1

Conclusiones: Figura 2.68 Cristales de yodo sublimándose en forma de vapores violeta.

g de arena

n agua

de la llave

75

2

Sistemas dispersos Combustible

Figura 2.69 El proceso de destilación es ampliamante utilizado en la industria.

Naftas

82-232

Gasavión

82-232

Querosina

177-288

Aceites de calefacción ligeros

204-316

Destilados intermedios

249-399

Aceites combustibles

193-343

Aceites diesel

288-347

Aceite combustible pesado

Más de 247

Para aeronáutica

Lubricantes

Lubricantes

Destilados pesados

316-538

Lubricantes

Aceites lubricantes

Más de 330

Cosméticos

Parafinas

Más de 330

Colas de destilación

Más de 430

Aceites lubricantes

Más de 430

Asfalto

Más de 430

Lubricantes Pavimentos

Destilación La destilación es una forma de separar sustancias líquidas a partir de la diferencia en sus puntos de ebullición. Por ejemplo, si quere­ mos separar una mezcla de alcohol y agua la ponemos al fuego, y como el punto de ebullición del alcohol (76 °C) es menor que el del agua a nivel del mar (100 °C), lo obtendremos primero. La des­ tilación se realiza; por tanto, calentando la mezcla de líquidos para que éstos se evaporen. Después se condensan para recuperarlos en forma líquida. Existen diferentes tipos de destilación, los más comunes son: des­ tilación simple, fraccionada, por arrastre de vapor y destilación al va­ cío. En la industria, la destilación fraccionada se realiza en grandes torres en las que se separan los hidrocarburos del petróleo (gasolina, turbosina, queroseno, aceites lubricantes, asfalto, etc.). Por otra parte, con la destilación por arrastre de vapor se separa el di­solvente que extrae el aceite de las semillas. Así, luego de utilizar hexano como di­ solvente para extraer el aceite de ajonjolí, éste es separado mediante la destilación por arrastre. Lo mismo sucede cuando se extraen esen­ cias como la de almendras amargas o la de agua de rosas.



Actividad experimental

Destilación simple Con la dirección de su maestro reúnanse en equipos de cuatro o cinco alumnos y realicen la siguiente actividad. Contesten las preguntas y elaboren un informe escrito con sus conclusiones. Expónganlo al grupo y analicen los comentarios. Propósito Separar el alcohol del agua aprovechando sus diferentes puntos de ebullición.

Fracciones de destilación de petróleo Producto

Gas natural Destilados ligeros Gasolina

76

Intervalo de ebullición °C

Usos

244-20

Para cocina, uso industrial, calefacción, combustible

27-193

Para vehículos de transporte

Figura 2.70 Dispositivo para separar el alcohol del agua aprovechando sus diferentes puntos de ebullición.

Grupo Editorial Patria ®

Material n 1

¿Qué propiedad específica se utilizó para separar a estos dos líquidos?

vaso de precipitados

n

2 soportes universales

n

tela de asbesto

n

1 termómetro con tapón de hule

n

1 mechero de Bunsen

n

perlas o cuerpos de ebullición

n

1 refrigerante con mangueras de salida y entrada de agua

n

1 matraz de destilación

n

1 anillo metálico

n

1 matraz Erlenmeyer

n

1 pinzas para refrigerante

n

1 embudo de tallo largo

n

50 mL de disolución 1:1 de alcohol-agua

n

pinzas para sujetar el matraz

¿Cuál es la función de los cuerpos de ebullición?

¿Qué tipo de mezclas se separan por este método?

Conclusiones:

Procedimiento 1. Monten el equipo de destilación simple como se muestra en la figura. 2. Con ayuda de un embudo, pongan los cuerpos de ebullición y la mezcla de alcohol-agua (50 mL) en el matraz de destilación. 3. Vuelvan a montar el matraz de destilación y tápenlo con el termómetro, cuidando que esté colocado de manera que el bulbo de mercurio se encuentre a la salida del brazo del matraz de destilación y la escala se encuentre frente a ustedes. 4. Abran la llave del agua. Cuiden que ésta circule durante todo el proceso de destilación. 5. Prendan el mechero y observen lo que sucede.



Actividad experimental

Reúnete con dos o tres compañeros y realicen el siguiente experimento.

Elaboración de enjuague para cabello oscuro Material

n 1

frasco de vidrio



n 30

g de cáscara de naranja



n 15

g de menta fresca



n 15

g de romero fresco

¿A qué temperatura empieza la destilación?



n 30

g de cáscara de limón

T 5 _______ °C



n 1

¿Qué olor tiene el destilado?



n agua

litro de vinagre de manzana

Procedimiento ¿Cuál es la apariencia del destilado?

1. Deposita todas las sustancias en un frasco de vidrio y ciérralo perfectamente. 2. Deja reposar la mezcla durante 15 días. 3. Al término de este tiempo, cuela la mezcla que está dentro del frasco. El líquido resultante constituye tu enjuague.

¿A qué temperatura se destiló el agua?

4. Para usarlo, dilúyelo con agua al 50%. Es decir, si obtuviste medio litro de enjuague, tienes que usar medio litro de agua para diluirlo. 5. Usa el enjuague del champú.

77

2

Sistemas dispersos

Actividad formativa

Completa el siguiente mapa conceptual.

MEZCLAS pueden ser heterogéneas sirven para separar sólidos de sólidos

sólidos de líquidos

por los métodos

por los métodos

líquidos miscibles por los métodos

por los métodos

decantación

imantación

  2.4 Concentración

de las soluciones

Como se ha mencionado previamente, las sustancias puras que pue­ den encontrarse en la superficie terrestre son muy escasas. Por lo que el hombre ha tenido que conocer las propiedades de las mezclas, que son las que más abundan en nuestro entorno cotidiano, ya sea para separarlas o para producirlas con ciertas características. Algunas son disoluciones como la limonada o la naranjada o el agua de mar; otras son sistemas coloidales como la leche o la gelatina, y otras más son suspensiones como una atmósfera con demasiado polvo. En una mezcla homogénea, por lo general existe una sustancia que se presenta en mayor cantidad y otra en menor proporción que se encuentra dispersa en la primera. Es decir, hay una fase dispersora y una fase dispersa. Se acostumbra clasificar las dispersiones en di­ soluciones, coloides y suspensiones, en función del tamaño de las partículas de la fase dispersa. Las disoluciones se presentan en una mezcla homogénea y las par­ tículas de la fase dispersa tienen el tamaño de átomos o moléculas. El componente que está en exceso se denomina disolvente. El que se encuentra en menor proporción se llama soluto. 78

Ejemplos cotidianos de disoluciones Fase

Gaseosa

Líquida

Sólida

Fase original del soluto

Ejemplo

Gaseosa

Aire

Líquida

Aire húmedo

Sólida

Algunos humos finos

Gaseosa

Agua gasificada

Líquida

Vinagre

Sólida

Agua de mar

Gaseosa

Hidrógeno adsorbido en metales

Líquida

Amalgama de mercurio

Sólida

Aleaciones

Los coloides se presentan cuando las partículas de una mezcla homo­génea tienen aproximadamente un tamaño de 10 a 10 000 veces mayor que los átomos y moléculas. En lugar de hablar de di­ solvente y soluto, se acostumbra emplear los términos fase disper­ sora y fase dispersa.

Grupo Editorial Patria ® Con excepción de los gases, que siempre forman disoluciones, pues se mezclan íntimamente en todas proporciones, podemos tener siste­ mas coloidales con sustancias en los diversos estados de agregación.

Azufre en agua: Azúcar en agua: Acetona en agua: Almidón en agua:

Ejemplos de sistemas coloidales Medio disperso

Fase dispersora

Nombre común

Ejemplo

Líquido

Aerosol líquido

Nubes, “spray”

Sólido

Aerosol sólido

Humo

Gas

Espuma

Merengue, jabonadura

Líquido

Emulsión

Leche, mayonesa

Sólido

Sol

Gelatinas, pinturas

Gas

Espuma sólida

Malvavisco, piedra pómez

Líquido

Emulsión sólida

Queso, mantequilla

Sólido

Sol líquido

Perlas

Gas

Líquido

Sólido

Las suspensiones se presentan cuando el tamaño de las partículas de la mezcla es mayor que en el caso de los coloides. La fuerza de la gravedad domina sobre las interacciones entre partículas, así que las suspensiones acaban por sedimentarse y pre­ sentar dos fases, en forma de mezcla heterogénea. Muchos medi­ camentos se presentan en forma de suspensiones; por eso tiene sentido el letrero que dice: “agítese antes de usarse”.

Comparación de las propiedades de las disoluciones, los coloides y las suspensiones Propiedad

Disolución

Coloide

Suspensión

Tamaño de la partícula

Menor que 1 nanómetro

Entre 10 y diez mil nanómetros

Mayor que diez mil nanómetros

Homogeneidad

Homogénea

En el límite

Heterogénea

Acción de la gravedad

No sedimenta

Puede sedimentar

Sedimenta

Filtrabilidad

No filtrable

No filtrable

Filtrable

Ejemplos sanguíneos

Sal

Albúmina

Células rojas

Urea

Fibrinógeno

Células blancas



  Actividad formativa

Instrucciones: Clasifica los siguientes ejemplos en disoluciones, coloides y suspensiones. Pinturas: Aceite con agua:

Gelatina en agua: Aire: Tierra en agua:

Las disoluciones rodean nuestro mundo cotidiano, las vemos en los alimentos, bebidas, líquidos de limpieza, cosméticos, etcétera. Es de­cir las bebemos, las respiramos, nadamos en ellas, incluso esta­ mos compuestos por ellas. Al beber una taza de té o un vaso con refresco, ingerimos una disolución. Cuando respiramos, inhalamos una disolución: aire. Cuando vamos al mar a nadar, lo hace­ mos en  una disolución de sal en agua y nuestra sangre es una disolución. Como las disoluciones siempre están compuestas de al menos dos sustancias, necesitamos ser capaces de identificar el papel que desempeña cada sustancia. El soluto es la sustancia que está siendo disuelta, mientras que el disolvente es la sustancia que está haciendo la disolución. Por ejemplo, en una disolución de agua de mar, la sal es el soluto y el agua es el disolvente. Cuando una disolución está compuesta por dos sustancias en el mismo estado (como sucede en una disolución líquido-líquido), es difícil establecer cuál sustancia es el soluto y cuál es el disolvente. Una regla práctica es que la sustancia presente en la mayor cantidad es el disolvente. En una disolución de 10 mL de alcohol etílico y 90 mL de agua, el alcohol etílico es el soluto y el agua es el disolvente.   Actividad formativa Determina cuál es el soluto y cuál es el disolvente en cada una de las siguientes disoluciones y descríbelo en la columna correspondiente. Disolución

Soluto

Disolvente

Azúcar en agua Cloruro de hidrógeno, gas y agua 75 mL de alcohol etílico y 25 mL de agua 80 mL de nitrógeno y 20 mL de hidrógeno Agua de soda

79

2

Sistemas dispersos

Disolución

Soluto

Disolvente

Sal y agua Trióxido de azufre y agua Agua mineral carbonatada

Las disoluciones acuosas son mezclas homogéneas, puesto que por lo general se puede observar una sola fase formándolas. Como ya se mencionó, a la fase dispersora se le denomina disolvente, y a la fase dispersa soluto. Si preparamos una disolución acuosa de dos cucharadas soperas de azúcar o miel, la cuarta parte de una cucharadita de sal, la cuarta parte de una cucharadita de bicarbonato como soluto y las disolve­ mos en un litro de agua tendremos un suero oral para prevenir y combatir la deshidratación. La deshidratación se origina cuando el cuerpo de una persona pierde más líquido del que toma. Esto pue­ de suceder en casos de diarrea severa, especialmente cuando hay vómito. También existe deshidratación en presencia de fiebre o alta temperatura o cuando no se puede beber o comer a causa de algu­ na enfermedad. Ésta es una de las tantas aplicaciones prácticas que tienen las disoluciones acuosas, por lo cual es importante que co­ nozcas sus características. Alguna vez te has preguntado, ¿por qué cuando ponemos choco­ late en la leche hay que moverlo bien con la cuchara o batirlo en la licuadora? Algunas sustancias se disuelven más fácilmente que otras; esto se debe a que tienen diferente solubilidad, que es la propie­

Figura 2.72 Ejemplos de disoluciones diluidas, concentradas y sobresaturadas.

dad que presentan algunas sustancias de poder disolverse en otras. El grado de solubilidad se mide por la cantidad máxima de soluto que se puede disolver en una determinada cantidad de disolvente. Cuando existe una cierta cantidad de soluto en una determinada cantidad de disolvente, se trata de la concentración.

Cualitativas Puede existir una pequeña cantidad de soluto en una determina­ da cantidad de disolvente y tener una disolución diluida, pero si aumenta la cantidad de soluto en esa determinada cantidad de di­ solvente, tendremos una disolución concentrada. Al seguir au­ mentando el soluto, la disolución se saturará y ya no podrá disolver un poco más de soluto y obtener una disolución sobresaturada, la cual no es estable, y el soluto se puede precipitar en cualquier momento. Por ejemplo, a 20 ºC pueden llegar a disolverse, en un litro de agua, 370 g de cloruro de sodio (sal común). Se dice enton­ ces que la solubilidad del cloruro de sodio en agua a esa tempera­ tura es de 370 g/L.

Diluido y concentrado

Figura 2.71 En los casos de deshidratación se deben aplicar disoluciones acuosas como el suero.

80

Por tanto una disolución acuosa se puede describir de acuerdo con los diferentes tipos de solutos presentes. La concentración es un tér­ mino que expresa la cantidad de soluto contenida en una cantidad unitaria de la solución. Por ejemplo, la concentración de sal disuelta en el agua de mar se puede expresar diciendo que hay 30 gramos de cloruro de sodio por litro de agua de mar. La concentración de una solución es independiente de la cantidad de ésta, es decir, la concen­

Grupo Editorial Patria ® tración de un gran volumen de una solución dada es la misma que la de un volumen pequeño. La concentración de la sal disuelta en una taza de agua de mar es la misma que la de una cubeta. Las concentraciones de la solución proporcionan una base de com­ paración. El agua de mar contiene 30 gramos de sales disueltas por litro y el agua potable típica contiene menos de 0.4 gramos de sal disuelta por litro. El agua de mar está más concentrada en sales que el agua potable. Las concentraciones se necesitan también para in­ dicar los niveles tolerables de los contaminantes químicos y otras sustancias presentes en el agua.



  Actividad formativa

Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el recuadro de la izquierda. Las mezclas homogéneas también reciben el nombre de: a) disoluciones

b) suspensiones

c) heterogéneas

d) soluto

 Solución que contiene una cantidad relativamente menor de soluto en comparación con otra. a) concentrada

b) saturada

c) sobresaturada

d) diluida

 Si existe una cantidad relativamente grande de soluto por unidad de volumen, la solución es: a) sobresaturada

b) concentrada

c) diluida

d) saturada

 Solución donde ya no se disuelve más soluto a una temperatura dada. a) concentrada

b) saturada

c) diluida

d) sobresaturada

 En un solvente en el que puede disolverse mayor cantidad de soluto a una temperatura mayor que la ambiental, la solución es: a) saturada

b) concentrada

c) diluida

d) sobresaturada



  Actividad experimental

Solubilidad de dos sustancias Con la supervisión de tu maestro reúnete en equipos de cuatro o cinco alumnos y resuelvan esta actividad. Contesten las preguntas y elaboren un informe escrito con sus resultados y conclusiones; expóngalo ante el grupo.

Propósito Determinar si el cloruro de sodio (NaCl) y el ácido benzoico (C6H5COOH) son solubles en agua y/o en cloroformo (CHCl3). Precaución: hay que tener cuidado de no oler directamente el cloroformo. Material n gradilla

n 

n 2

n 

pipetas de 5 mL n cloroformo 1 mL n 1 espátula n ácido benzoico Procedimiento



4 tubos de ensayo 2 vidrios de reloj n  agua destilada 1 mL n  sal de mesa n  cinta para enmascarar

1. Midan 1 mL de cloroformo (CHCl3) y deposítenlo en un tubo de en­ sayo previamente etiquetado. 2. En otro tubo de ensayo etiquetado, midan 1 mL de agua destilada y tomen, con ayuda de la espátula del vidrio de reloj, una pequeña cantidad de sal de mesa; viertan un poco en cada tubo y agítenlos. 3. Repitan la operación de medir los líquidos en los otros tubos y lue­ go, con ayuda de la espátula, agréguenles una pequeña cantidad de ácido benzoico (C6H5COOH). ¿En cuál disolvente se mezcló la sal de mesa o cloruro de sodio?

¿Por qué?

¿En cuál disolvente se disolvió el ácido benzoico?

¿Por qué? Conclusiones:

Lectura

¿Qué ocurre en nuestro organismo cuando tomamos bebidas alcohólicas? Lo más probable es que hayas visto a la gente tomar bebidas alcohólicas, e incluso tú mismo hayas ingerido en alguna ocasión bebidas em­ briagantes. Debes saber que el alcohol es tóxico.

81

2

Sistemas dispersos

Pero, ¿qué sucede dentro de nosotros, químicamente, cuando ingerimos una bebida alcohólica? Al tomarla, de inmediato se pone en marcha la  “fábrica química” más efi­caz: el hígado. Es en este órgano donde se metaboliza el alcohol. La velocidad con la que el hígado es capaz de metabolizar el alcohol, es la base para que una persona se embriague o no. Si le damos al hígado el tiempo suficiente (entre copa y copa) para metabolizar el alcohol, la persona no se embriagará. La velocidad promedio a la que el hígado oxida el alcohol, para una persona adulta de aproximadamente 75 kg de peso, es de una bebida promedio cada 75 minutos. La ebriedad se producirá cuando aumente la cantidad de alcohol en la sangre y llegue al cerebro, el cual registrará diversos com­portamientos anómalos.

Efecto de la concentración alcohólica en el hombre

por 100 (la masa de la disolución es igual a la masa del soluto más la masa del disolvente). masa del soluto 3 100 Porcentaje en masa 5 masa de la disolución también se puede escribir así: masa del soluto 3 100 Porcentaje en masa 5 masa del disolvente 1 masa del soluto Ejemplos Una disolución de hidróxido de sodio (NaOH) a 20% indica que en cada 100 g de disolución, hay 20 g de NaOH y 80 g de agua.

Ejemplos

Número de bebidas ingeridas rápidamente

Volumen de alcohol en la sangre (porcentaje)

Comportamiento humano

2

0.05

Euforia, tranquilidad

Datos

4

0.1

Pérdida del control motriz

% en masa = ?

8

0.2

Descontrol de las emociones

12

0.3

Inconsciencia

20

0.4 a 0.5

Estado de coma

32

0.6 a 0.7

Muerte

Hay que recordar que las múltiples bebidas tienen distintas cantidades de alcohol.

¿Cuál será el porcentaje en masa de una disolución que se ha preparado disolviendo 30 g de cloruro de potasio (KCl) en 120 g de agua? Solución

m 5 120 g H2O disolvente

Porcentaje en masa 5 masa del soluto



masa de la disolución

3 100

m 5 30 g KCl soluto

Porcentaje en masa de la disolución



5

30 g 120 g 1 30 g

3 100 5 20%

Cuantitativas Porcentual Como se mencionó anteriormente las disoluciones son mezclas, sus componentes pueden presentarse en diferentes proporciones. Por ejemplo, podemos hacer muchas disoluciones diferentes de sal y agua, cada una con una diferente concentración, o proporción de soluto y disolvente. Las concentraciones o cantidades relativas de las disoluciones pueden variar mucho, así que debemos tener una forma para describirlas. Un método para definir las concentraciones de las disoluciones se basa en el porcentaje de soluto en la disolución. Este método pue­ de causar confusión, ya que puede haber dos tipos de concentra­ ciones de porcentaje: a) Porcentaje por masa.

b) Porcentaje por volumen.

Disoluciones de porcentaje en masa Para encontrar el porcentaje por masa, dividimos la masa del solu­ to entre la masa total de la disolución y multiplicamos el resultado 82

Disoluciones de porcentaje en volumen La concentración de disoluciones también puede expresarse en términos de “porcentaje en volumen” del soluto dentro de una di­ solución y se define como: Porcentaje en volumen 5

volumen del soluto 3 100 volumen de la disolución

como: volumen de la disolución 5 volumen del soluto 1 volumen del disolvente entonces también se puede expresar: % volumen del soluto 5

volumen del soluto 3 100 vol. soluto 1 vol. disolvente

Grupo Editorial Patria ® Ejemplos ¿Qué cantidad de agua y alcohol necesitamos para preparar 150 mL de disolución acuosa de alcohol a 8%? volumen del soluto 5 8% de 150 mL 5 0.08 3 150 mL 5 12 mL de alcohol volumen del soluto 1 volumen del disolvente 5 volumen de la disolución 12 mL de alcohol 1 volumen del disolvente 5 150 mL de la disolución

Por tanto: volumen del disolvente 5 150 mL 2 12 mL 5 138 mL Entonces, se necesitan 138 mL de agua y 12 mL de alcohol para preparar 150 mL de disolución alcohólica a 8%.

Densidad y gravedad específica Con frecuencia, en las operaciones industriales se mide la composi­ ción de las disoluciones por su densidad debido a que es muy sencillo medir la densidad de una disolución por medio de la profundidad hasta la cual se hundirá un dispositivo hueco y pesado, llamado den­ símetro (hidrómetro, si es para disoluciones acuosas). Muchos manuales de química contienen tablas que dan la densi­ dad de disoluciones usuales en función de su composición. Con esta información, siempre es posible transformar estos datos en las unidades discutidas. Los ácidos y las bases comerciales de uso co­ mún en el laboratorio tienen las siguientes propiedades:

Densidad La densidad de una sustancia expresa la relación entre la masa y su volumen: Masa Densidad 5 Volumen Las unidades más empleadas son: g/cm3 o g/mL. En las tablas de densidades también se cita la temperatura a la cual se determinaron, ya que los volúmenes de los objetos pueden cam­ biar con ella. La densidad de los gases es generalmente menor que la de los líquidos y sólidos; incluso se utilizan unidades diferentes para expresarlo. En el caso de los gases se mide la densidad en g/L, mientras que en los sólidos y líquidos se expresa la temperatura, y para los gases, además, la presión.

Densidad de sustancias comunes a 20 ºC Sustancias

Estado físico

Densidad

Gas

1.33 g/L

Gas

1.9 g/L

Alcohol etílico (100%)

Líquido

0.789 g/mL

Agua

Líquido

0.998 g/mL

Oxígeno a 1 atmósfera Hielo seco (dióxido de carbono) a 1 atmósfera de presión

Sustancia

Densidad (g/mL)

% en peso

Cobre

Sólido

8.8 g/mL

HCl

1.19

38

Plata

Sólido

10.4 g/mL

HNO3

1.42

70

H2SO4

1.84

95

CH3COOH

1.05

99

NH3

0.90

28

La densidad, tal como la hemos empleado, siempre se expresa en unidades de masa dividida entre volumen. Es útil contar con una escala de densidad relativa, en lugar de una escala de densidad ab­ soluta. En una escala de densidad relativa expresaríamos la densi­ dad de una sustancia diciendo cuántas veces fue más densa o menos densa que otra sustancia.

Los diamantes se cotizan en quilates, y un quilate pesa 0.200 g. La densidad del diamante es de 3.51 g/cm3. El diamante Hope pesa 44.5 quilates, ¿qué volumen ocupa esta famosa joya?: V5

(44.5 quilates)(0.20 g/quilate) 5 2.53 cm3 3.51 g/cm3

¿Cuántos gramos pesa una barra de oro de 20 cm de longitud, 10  cm de ancho y 3.5 cm de altura? La densidad del oro es de 19.3 g/cm3. Volumen de la barra 5 (20 cm) (10 cm) (3.5 cm) 5 700 cm3.

Una escala de densidad relativa como ésta se emplea comúnmente en la industria, y las unidades se conocen como gravedad específi­ ca. Se define respecto a la densidad del agua a 4 °C.

m ; DV 5 m ; m 5 (19.3 g/cm3) (700 cm3) 5 13 510 g V El ácido nítrico concentrado tiene una densidad de 1.42 g/mL y 69% en peso; ¿cuál es la concentración de esta disolución?

Densidad de la sustancia Gravedad específica 5     de una sustancia Densidad del agua a 4 °C

La densidad de 1.42 g/mL, significa que cada mililitro (mL) de di­ solución pesa 1.42 g.

D5

83

2

Sistemas dispersos

El 69% en peso quiere decir que de cada 100 g de disolución, 69 son de ácido nítrico (HNO3). CHNO3 5

(

1.42 g disolución mL

(

)( )(

1 mol 63 g HNO3

69 g HNO3 100 mol/L disolución 1 000 mL 1L

)

)

g disolución CHNO3 5 15.55 L Lectura

La importancia del oxígeno Los peces y otros animales acuáticos requieren oxígeno disuelto en el agua para vivir; éste entra al medio a través de la superficie, además de ser un producto de la fotosíntesis de las plantas acuáticas. Una vez en el agua, se entabla una fuerte competencia por su consumo entre los peces y otras especies animales, y por las bacterias aeróbicas, que lo utilizan también para su respiración. Estas bacterias se alimentan de materia orgánica disuelta en el agua.

Material n 3

vasos

n sal n 1

cuchara

Procedimiento 1. Coloca en tres vasos 100 mL de agua: uno con agua fría, el segundo con agua a temperatura ambiente y el tercero con agua caliente. 2. Con la cuchara agrega sal a cada vaso y cuenta el número de cucharadas de sal que el agua puede disolver. Completa lo siguiente y después contesta las preguntas: Para el agua fría 5

cucharadas

Para el agua caliente 5

cucharadas

¿En cuál vaso con agua se disolvió más sal?

¿A qué se debe esto?

¿En cuál vaso con agua se disolvió menos sal?

Actividad formativa

Contesta de manera breve cada una de las siguientes cuestiones: ¿Cómo se forma una disolución diluida?

¿Cuáles son los principales constituyentes de la sangre humana?

¿Por qué sucede esto?

¿Qué propiedad de las sustancias se estudió en esta actividad experimental?

¿Qué es una disolución saturada?

¿Qué significa tener una disolución alcohol-agua al 60?

Partes por millón (ppm)



Actividad experimental

Solubilidad de una sustancia en función de la temperatura Reúnete con dos o tres de tus compañeros y realicen la siguiente actividad experimental, en relación con la solubilidad de las sustancias. Propósito Determinar de manera experimental la solubilidad variando la temperatura.

84

Esta unidad de composición se simboliza como ppm y, en el caso particular del aire, quiere decir número de moléculas en un millón de moléculas de aire. Se dice por ejemplo que la cantidad de dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera parece ir en aumento. Este CO2 absorbe la energía calorífica que la Tierra emite debido a la entrada de los rayos so­ lares a su superficie. A este fenómeno se le conoce con el nombre de “efecto invernadero” y es el responsable del aumento de tempe­ ratura de la superficie terrestre. En 1900 la concentración de CO2 en la atmósfera era de 296 ppm y en 1980 de 320 ppm. Cuando se trata de disoluciones, las partes por millón son miligra­ mos de soluto por litro de disolución.

Grupo Editorial Patria ®

Molaridad Es la unidad de concentración más utilizada por los químicos y se define como el número de moles de soluto disueltos en un litro de disolución. Matemáticamente: n moles M5 5 V Litros Antes de estudiar el término de concentración denominado molaridad es necesario saber algo respecto al mol químico.

el ejemplo anterior, se obtiene sumando la masa de un átomo de sodio, un átomo de oxígeno y un átomo de hidrógeno. Y las unida­ des de la masa expresadas en uma (unidad de masa atómica) se convierten a gramos. Así, la masa molar del hidróxido de sodio es igual a 40 gramos. Elemento

Masa atómica

No. de átomos

Masa molar

Na

23 uma

1

23 g

O

16 uma

1

16 g

H

1 uma

1

1g

Como ya se estudió al principio de este curso de Química 2, el mol es la cantidad de una sustancia que contiene tantas partículas quí­ micas como átomos de carbono hay en exactamente 12 gramos de carbono-12. Las partículas químicas se deben especificar, y pue­ den ser átomos, moléculas, iones o cualquier otro grupo especifi­ cado de entidades de esta índole. La molaridad es un término químico que se emplea para propor­ cionar una definición de las concentraciones de una disolución, en función de la cantidad de partículas de soluto contenidas en un li­ tro de solución. La molaridad de una disolución se define como el número de moles de soluto disueltos en un litro de disolución. Matemática­ mente: Moles de soluto (n) Molaridad (M) 5 Litros de disolución (V) Ejemplos ¿Qué molaridad se obtiene al disolver 80 g de hidróxido de sodio (NaOH) en medio litro de disolución?

Masa molar 5 40 g

Para calcular el número de moles de una cierta cantidad de sustan­ cia se divide la masa en gramos entre su masa molar. Por eso, en el ejemplo anterior: m 80 g 5 5 2 moles n5 Masa molar 40 g/mol Ejemplos Calcula la molaridad de una solución, si se tienen 100 g de cloro (Cl2) en 500 mL de agua. Datos

M 5 ?

P.M. Cl2 5 35.5 3 2 5 71 g/mol



m 5 100 g de cloro (Cl2)

V 5 500 mL 5 0.5 L

Solución

Datos

n 5 m/P.M. 5 100 g/ 71 g/mol 5 1.408 moles de cloro M 5 n/V



M 5 ?

V 5 0.5 L



m 5 80 g

Masa molar 5 40 g/mol (NaOH)



Solución



M 5 n/V; M 5 2 mol/0.5 L 5 4 mol/L o M = 4 M de NaOH



n 5 m/M.M.



n 5 número de moles n 5 80 g/40 g/mol 5 2 moles



m 5 masa en gramos



S: 1 3 32 5 32 g



P.M. 5 masa molar en g/mol



O: 4 3 16 5 64 g

M 5 1.408 moles/ 0.5 L 5 2.816 moles/L o 2.816 M cloro

Cuando se disuelve un mol de soluto en la cantidad necesaria de agua para obtener un litro de disolución, se obtiene una disolución 1  M (1 molar). Por ejemplo, si queremos preparar una disolu­ ción 1 M de sulfato de cobre (CuSO4): 1. Calculamos la masa molar del sulfato de cobre (CuSO4):

Para preparar las disoluciones molares, la masa del soluto se debe transformar a moles. La masa molar del hidróxido de sodio, en

Cu: 1 3 63.5 5 63.5 g

P.M. 5 159.5 g/mol

2. Se deben tener por tanto 159.5 g de CuSO4 y disolverlos en un litro de agua. 85

2

Sistemas dispersos

3. El número de moles es de 1. m 159.5 g n5 5 5 1 mol P.M. 159.5 g/mol



M5

m mol 5 5 1 molar V 1L

  Actividad formativa

Resuelve los siguientes problemas, selecciona la respuesta correcta y anótala en el recuadro de la izquierda:  ¿Cuál es el porcentaje en masa de una disolución que se ha preparado disolviendo 15 g de cloruro de sodio en 150 mL de agua? a) 11.73%

b) 9.09%

c) 6.83%

d) 30.63%

 ¿Qué masa de CuSO4 es necesaria para preparar 3 litros de una disolución 0.5 M? a) 310 g

b)  120 g

c)  80 g

d)  240 g



N = 1 N



a = ?

Solución a N5 VE Despejando: a 5 VEN

EH SO = PM/2 = 98/2 = 49 g/g equivalentes



a 5 (1L) 49



Por tanto:  a 5 49 g H2SO4

2

4

(

g g equiv.

)(

1

g equiv. L

)

5 49 g

2.  Calcula la normalidad de una disolución de ácido fosfórico (H3PO4), que contiene 12.5 g disueltos en 400 mL de disolución. Datos

N=?

PMH PO = 98 g/mol 3

Una disolución normal es la que contiene disuelto en un litro de disolución (1 000 mL), el peso normal o equivalente del soluto. La normalidad (N) de una disolución, se define como el número de equivalentes gramo de soluto por litro de disolución. Esto es: Normalidad 5

Equivalentes gramo de soluto Litros de disolución

Si se representa por E a los “equivalentes gramo de soluto” y por V a los “litros de disolución”, la ecuación anterior toma la forma: N5

E V

o

a VE donde: N = Normalidad de la disolución = g equivalentes/Litro N5



a = gramos de soluto = g



V = Volumen de la disolución = L



E = Peso equivalente = g/g equivalentes

4



a = 12.5 g



V = 400 mL

Solución

a = VEN a

N 5

VE

E H SO 5 2



4

N5

98 3

5 32.66

g g equiv.

5

12.5 g (0.4 L)(32.66 g/g equiv.)

Por tanto:   N 5 0.9568 g equiv./L

Ejemplos Se agregó a 100 g de NaOH la cantidad de agua suficiente para formar un litro de disolución, ¿Cuál fue la normalidad de la disolución obte­ nida? Datos

Ejemplos 1.  ¿Cuántos gramos de H2SO4, se necesitan para preparar una disolución 1N, en un litro de disolución?



a = 100 g NaOH



V=1L



N=?

Datos

Solución

PMH SO = 98 g/mol



2

86

4

a = VEN

Grupo Editorial Patria ®

N 5

menzó en Europa en el siglo xii; probablemente el primero fue el áci­ do nítrico (HNO3), obtenido mediante la destilación del sa­litre (nitrato de sodio y potasio) y el vitriolo (sulfato de cobre, CuSO4). La química comenzó su desarrollo con el curtido de pieles y la elabora­ ción de alimentos y no es de sorprender que las primeras clasificaciones de las sustancias se hayan hecho empleando los recursos más disponibles de los investigadores: sus sentidos, esto es, la vista, el tacto, el olfato, el oído y el gusto. Algunas observaciones per­mitieron la clasificación de muchas sustan­cias en ácidos o bases. Por ello exa­ minaremos los ácidos y bases aplicando una serie de nociones cuan­ titativas para establecer la relación entre la fuerza de los ácidos y bases, y su estructura química.

a VE

E NaOH = E NaOH =

PM 1 40 1

40 g/g equiv. 100 g



N5



N = 2.5 g equiv./L

(1 L)(40 g/g equiv.)

Ejemplos Calcular la composición, en ppm de una disolución que contiene 2.5 mg de iones calcio en 0.4 litros. ppm de Ca21 5

2.5 mg Ca21 0.4 L

5 6.25 ppm Ca21

 2.5 Propiedades de ácidos y bases Características La palabra ácido se deriva del latín acidus, que significa “agrio”, y también se relaciona con la palabra latina acetum, que significa “vi­ nagre”, el cual se conoce desde la Antigüedad, y es el producto de la fermentación del vino y la sidra. En el siglo xi se conocían pocos ácidos (vinagre, jugos de frutas) y ya se habían desarrollado los métodos y equipos de laboratorio necesa­ rios para la producción de muchos más. El descubrimiento de los ácidos minerales (es decir, derivados de materiales inorgánicos) co­

En nuestra casa encontramos diversas sustancias comunes que se emplean con fines domésticos: la salsa, el vinagre, el café, los jabo­ nes, los detergentes, los limpiadores, la sosa cáustica, las aspirinas, los antiácidos y la vitamina C. Posiblemente ya hayas probado el vinagre el cual tiene un sabor agrio; sin embargo, es posible que sepas que cuando se deja caer un trozo de mármol en una solución de vinagre desprende dióxido de carbono conforme se disuelve, o bien que cuando se coloca en vinagre un pedazo de zinc, previa­ mente lijado, se disuelve lentamente acompañado de un despren­ dimiento de hidrógeno gaseoso. El vinagre es una solución acuosa de ácido acético. Algunos compuestos pueden clasificarse de acuerdo con la si­ militud de sus propiedades químicas, es decir, las semejanzas en las clases de reacciones químicas que producen. Entre las familias más importantes en la química están los ácidos, las bases y las sales. Desde hace siglos, los químicos definieron los ácidos y las ba­ ses, según las propiedades de sus soluciones acuosas; un ácido es una sustancia cuya disolución acuosa posee un sabor agrio, tiñe de rojo el papel tornasol azul, reacciona con los metales activos, con desprendimiento de hidrógeno y neutraliza a las bases (reacción de neutralización). Ejemplo:  neutralización

Ácido HCl Ácido clorhídrico

1

Base

Sal

1

NaOH

NaCl

Hidróxido de sodio

Cloruro de sodio

1 Agua 1 H2O Agua

De manera análoga, una base se define como aquella sustancia cuya disolución acuosa posee un sabor amargo, tiñe de azul el papel tornasol rojo, tiene aspecto jabonoso y al reaccionar con los ácidos produce una sal más agua.

Figura 2.73 Los ácidos y las bases son sustancias comunes en casa.

Los indicadores son compuestos que muestran un cambio defini­ do de color cuando se mezclan con un ácido o una base. El papel indicador o tornasol cambia de azul a rojo en una disolución ácida. La fenolftaleína, que es uno de los indicadores más conocidos, es incolora en disolución ácida y se vuelve roja en disolución básica. 87

2

Sistemas dispersos

Los ácidos reaccionan con los metales activos formando una sal y desprendiendo hidrógeno. Esta reacción es corrosiva para el metal y produce un residuo. Por ejemplo, el ácido sulfúrico de las baterías para auto corroe las terminales y deja un residuo.

Actividad experimental

Con la supervisión de tu maestro reúnete en equipos de cuatro o cinco alumnos y resuelvan esta actividad. Contesten las preguntas y elaboren un informe escrito con sus resultados y conclusiones; expóngalo ante el grupo.

Jugando al químico analista Propósito Identificar ácidos y bases mediante la utilización de un indicador vegetal (col morada). Material n col n 5

morada

frascos con gotero

n agua n un n 4

recién hervida

poco de leche

vasos desechables

n un

poco de detergente

n 1

limón

n 1

cuchillo

n un n 1

poco de vinagre

agitador

¡Precaución! Debes tener cuidado al cortar la col morada con el cuchillo.

3. Retiren los trozos de la col morada y llenen los frascos goteros con el líquido obtenido (indicador). 4. Marquen los cuatro vasos desechables con los siguientes nombres: limón, vinagre, leche y detergente. 5. Viertan un poco de las sustancias anteriores en su respectivo vaso. 6. A cada uno de los líquidos anteriores agréguenles unas cinco gotas del indicador formado en el paso 1. 7. Preparen dos frascos goteros con la disolución formada con la col, que servirán de referencia al experimento; agréguenle dos gotas de ácido muriático (ácido clorhídrico, HCl) a dos frascos y dos gotas de sosa cáustica (hidróxido de sodio, NaOH) a los otros dos frascos goteros. Anoten sus observaciones en el cuadro siguiente:

Sustancia

Coloración que toma con las gotas de disolución de col en agua

Jugo de limón Vinagre Leche Detergente

¿Qué función tiene el indicador formado en esta actividad?

Cuando manejes agua caliente, hazlo con cuidado, ya que al derramarla te puedes quemar. ¿Lo podrían utilizar con otras sustancias? Procedimiento 1. Corten en trozos pequeños la col morada y sumérjanlos en el agua recién hervida con ayuda del agitador, durante 15 minutos.

Si tu respuesta es afirmativa escribe tres ejemplos:

2. ¿Qué le sucede al agua?

Conclusiones:

Figura 2.74 Una col morada o trozos de la misma en agua.

88

Grupo Editorial Patria ® De acuerdo con la teoría de Arrhenius y como se ha mencionado en párrafos anteriores, un ácido es toda sustancia que al estar en disolución acuosa produce iones hidrógeno (H1) y una base es toda sustancia que al estar en disolución acuosa produce iones oxhi­drilo (OH2). La doble flecha significa que la reacción se puede verificar en ambos sentidos, es decir, es reversible. Ejemplos HA(ac)



Ácido general

1 A2(ac)

ion hidrógeno

HCl(ac)



Ácido clorhídrico

H1(ac)

1

2H

Ácido sulfúrico

(ac)

MOH(ac)

M

Base general

(ac)

1 SO4

Na1(ac)

Hidróxido de sodio

Ca12(ac)

Hidróxido de calcio

2

(ac)

ion oxhidrilo

Este valor nos indica la cantidad de iones H3O+ y OH–. A causa del valor tan pequeño de Kw, nos vemos obligados a manejar la expre­ sión con logaritmos. Aplicando logaritmos: logKw = log [H3O+] + [log OH–] Multiplicando por –1, nos queda: –logKw = –log [H3O+]– log [OH–] Representando por p = –log: pKw = p [H3O+] + p[OH–] De aquí definimos al (pH) como el logaritmo negativo de la concentración de iones hidrógeno [H]+ o hidronio [H3O+]: pH = –log [H+] El pOH se define de igual manera como el logaritmo negativo de la concentración de iones oxhidrilo: pOH = –log (OH–) y de las ecuaciones anteriores resulta: pH + pOH = 14

2 OH2(ac)

1

ion calcio

Ejemplos

ion oxhidrilo

ion oxhidrilo

indican que la reacción se verifica en ambos sentidos.

Esta definición está restringida en el sentido de que el concepto se limita al disolvente agua; sin embargo, muchas reacciones quími­ cas de naturaleza similar pueden llevarse a cabo en disolventes no acuosos y en reacciones sin disolventes.

1. ¿Cuál es el pH de una solución 0.5 molar de HCl? Datos

Solución

pH = ?

pH = –log[H+] = –log [5  10–1] = 0.3

[HCl] = 0.5 molar = 5  10–1 mol/L 2. Determina la concentración del ion hidronio en una disolución cuyo pH es 7.3. Datos +

[H3O ] = ?

Solución pH = –log[H3O+]

pH = 7.3

Multiplicando por –1:

pH Según las teorías ácido-base, el agua puede actuar como ácido o como base. Si consideramos una transferencia de iones hidrógeno (protones) entre dos moléculas de agua, la reacción será: H2O(1) + H2O(1)   st H3O+(ac) + OH–(ac)

y las concentraciones de H3O+ y OH– deben ser iguales a 1  10–7 moles/L

1 OH2(ac)

ion sodio

Ca(OH)2(ac)

(ac)

ion sulfato

1 OH

catión

NaOH(ac)

ion cloruro 22

ion hidrógeno 1

anión

1 Cl2(ac)

ion hidrógeno

H2SO4(ac)

Las dos flechas

H1(ac)

Kw = [H3O]+ [OH–] = 1  10–14

ácido 1 base 2

ácido 2 base 1

La constante de ionización para esta reacción [Kw], es simplemen­ te el producto de las concentraciones molares de iones H3O+ y OH– en equilibrio. Kw = [H3O]+ [OH–] La constante de ionización del agua Kw, a 25 °C, tiene un valor de 1  10–14.

–pH = log (H3O+) sacando antilogaritmos [H3O+]= antilog [–pH] [H3O+] = antilog [–7.3] [H3O+] = 5  10–8 mol/L 3. Calcula el pOH de una disolución, cuya concentración de iones hidronio es de 0.001 mol/L Datos

Solución



pH = –log[H30+]

pOH = ?

[H30+] = 0.001 mol/L = 1 3 10–3 mol/L pH = –log [1  10–3]

pH = 3 89

2

Sistemas dispersos ción de iones hidrógeno y los daños que pueda producir. En los áci­ dos débiles sólo algunas de las moléculas disueltas se ionizan para formar iones hidrógeno. Son menos perjudiciales que los ácidos fuertes. De hecho, en el hogar utilizamos algunos de ellos, como el ácido cítrico que viene en el jugo de limón o de toronja y el vinagre, que es una solución de ácido acético al 5%. Los refrescos carbonata­ dos contienen CO2 disuelto en forma de ácido carbónico (H2CO3).

Como: pH + pOH = 14 Por tanto: pOH = 14 – pH pOH = 14 – 3 pOH = 11

La fuerza de un ácido o una base se determina por medio del pH, el cual representa la concentración de iones de hidrógeno que posee una disolución por medio de una escala de valores que va del 0 al 14. H2O(l) 1

HCl ( g)

Agua 1 cloruro de hidrógeno

H3O1(ac) 1

Cl2 (ac)

ion 1 ion hidronio cloruro

Una disolución puede ser ácida, básica o neutra. Las disoluciones ácidas tienen concentraciones del ion hidronio (H3O1) o hidró­ geno (H1), que son superiores a las del agua pura, y las básicas tie­ nen concentraciones de dicho ion hidrógeno (H1) que son inferiores a las del agua pura. En ciertas reacciones biológicas y químicas que se producen en disoluciones acuosas, la concentra­ ción del ion hidrógeno, o acidez, tiene una importancia vital. Por ejemplo, la acidez de la sangre humana se debe mantener a cierto nivel; cualquier desviación en la concentración del ion hidronio de la sangre que sobrepase en cierto margen dicho nivel, puede pro­ ducir enfermedad y muerte. Los peces y las plantas no pueden sobrevivir en agua con concentraciones excesivas de acidez. La concentración se expresa en molaridad (mol/L). Los ácidos fuertes se ionizan totalmente y producen muchos iones hidrógeno en disolución. Los ácidos fuertes más comunes son el nítrico (HNO3), el sulfúrico (H2SO4) y el clorhídrico (HCl). Por ser ácidos fuertes están totalmente ionizados (al 100%). HCl(ac) Ácido clorhídrico

H2SO4(ac) Ácido sulfúrico

HNO3(ac)

Ácido nítrico

H1(ac)

1 Cl2(ac)

ion hidrógeno

2H1(ac)

1 SO422(ac)

ion hidrógeno

H1(ac)

ion cloruro

ion sulfato

1 NO32(ac)

ion hidrógeno

ion nitrato

Un ácido fuerte hay que manejarlo en el laboratorio con mucha pre­ caución, ya que provoca graves quemaduras en la piel y daños en los ojos. En caso de accidente hay que la­varnos inmediatamente con bastante agua la superficie de contacto para reducir la concentra­ 90

En la ionización de los ácidos débiles, la doble flecha indica la pre­ sencia de las moléculas y iones del ácido: CH3COOH(ac)

H1(ac)



ion hidrógeno

Ácido acético

1 CH3COO2(ac) ion acetato

1 HCO32(ac)

H2CO3(ac)

H1(ac)

Ácido carbónico

ion hidrógeno

ion bicarbonato

En el agua, las bases fuertes se separan totalmente en iones y uno de ellos es el ion oxhidrilo (OH2). Las bases fuertes son los hidróxidos de los elementos de los grupos IA y IIA. El NaOH y el KOH son las que con más frecuencia se utilizan. NaOH(ac) Hidróxido de sodio

KOH(ac) Hidróxido de potasio

Na1(ac)

1 OH2(ac)

ion sodio 1

K

(ac)

ion oxhidrilo

1 OH2(ac)

ion potasio

ion oxhidrilo

En altas concentraciones los iones hidroxilo provocan daños en la piel y los ojos. Las bases fuertes como la sosa cáustica (lejía), se em­ plean en los productos caseros para disolver la grasa de los hornos y destapar drenajes. El uso de estos productos en el hogar debe rea­ lizarse con mucho cuidado. La mayoría de los hidróxidos no son muy solubles en agua, aunque sí se disocian al 100% en iones. Uno de ellos es el hidróxido de magnesio Mg(OH)2, un antiácido que se denomina leche de mag­ nesia y se utiliza para contrarrestar los efectos de la acidez estoma­ cal excesiva. Mg(OH)2(ac)  Hidróxido de magnesio  

 Mg12(ac)  1  ion magnesio 

2OH2(ac)   ion oxhidrilo

Las bases débiles producen sólo algunos iones hidroxilo al reaccio­ nar con agua. La base débil más común es la disolución acuosa de amoniaco (NH3), que se utiliza en los limpiado­res de ventanas de uso doméstico. El amoniaco reacciona con el agua aceptando un protón. El ion hi­ droxilo resultante da carácter básico a la disolución. La doble flecha en la ecuación indica que sólo algunas de las mo­ léculas de amoniaco disueltas están ionizadas en determinado momento.

Grupo Editorial Patria ®  NH41(ac)  1  OH–(ac)

NH3(g)  1 H2O(l)  Amoniaco 

agua    

  ion amonio   ion oxhidrilo

Para medir la fuerza de un ácido o una base se utiliza el pH, el cual re­ presenta, de una manera sencilla y cómoda, la acidez de una disolu­ ción, en términos numéricos. La concentración de iones hidrógeno que posee una disolución se mide por medio de una escala de valores que va del 0 al 14; por tanto, las di­ soluciones que contienen más io­ nes H+ que iones OH– tienen valores de pH menores que 7, y las disoluciones que contienen menos iones H+ que iones OH– tienen va­ lores mayores que 7.

Figura 2.75 Ácido clorhídrico.

pH < 7.00 Disolución ácida pH 5 7.00 Disolución neutra pH > 7.00 Disolución básica

Ácidos fuertes:

pH de 0 a 3



Ácidos débiles:

pH de 4 a 6

Disolución neutra:

pH 5 7



Bases débiles:

pH de 8 a 11



Bases fuertes:

pH de 12 a 14

Figura 2.76 Tiras de papel universal. Cambia de color según si la disolución es ácida o básica en un amplio rango de colores.

Para medir el pH de las solucio­ nes utilizamos tiras de papel uni­ versal, cuya coloración especifica el valor que le corresponde. Sin embargo, en la actualidad se cuenta con instrumentos más precisos llamados potencióme­ tros, de tipo digital, que expresan exactamente el valor del pH. La escala de colores del papel universal va del rojo al rosa páli­ do y del azul claro al azul oscuro. Figura 2.77 Potenciómetro digital. Es muy importante conocer el valor del pH de la sangre humana, el cual es muy relevante, está en­ tre 7.3 y 7.5, lo cual indica que es ligeramente básica. Si el valor del pH sube a 7.8 o baja a 7.0 se producen alteraciones en el control de las reacciones que se llevan a cabo en las células provocando tras­ tornos graves, incluso la muerte. Por este motivo se debe regular el pH, para lo cual se utilizan unas disoluciones llamadas amortigua­ doras o reguladoras. En el caso de la sangre se utilizan el ácido car­ bónico (H2CO3) y el bicarbonato de sodio (NaHCO3), el fosfato ácido monosódico (NaH2PO4) y el fosfato ácido disódico (Na2HPO4), así como ciertas proteínas. Asimismo, es muy importante la acidez o basicidad de las sustan­ cias que se utilizan en la industria de los fertilizantes, pigmentos y fibras sintéticas. Lectura

Cómo desteñir la mezclilla Antes de decidirte a darle un aspecto usado y descolorido a tu ropa de mezclilla nueva, recuerda que una aplicación fuerte de blanqueador debilita la composición de las fibras y; por tanto, reduce la vida de las prendas. La forma más conveniente de decolorar la mezclilla es hacerlo gradualmente; para ello añade una taza de blanqueador al agua de la lavadora cada vez que laves tu ropa, hasta que ésta adquiera el tono deseado.

Figura 2.78 La mezclilla es una tela de algodón asargado de hilos blancos y urdimbre, teñida de azul índigo.

91

2

Sistemas dispersos Lectura

Lectura

Para tener un cabello sedoso se debe tener un control del pH

Los ácidos intervienen en tu vida cotidiana

¿Tiene realmente que ver el control del pH (potencial de hidrógeno) de los productos para el cuidado del cabello con la limpieza, el brillo y el vigor de tu cabello? Cada cabello está formado por muchas cadenas de aminoácidos, enlazadas entre sí en forma de polímeros llamadas proteínas. Las cadenas individuales se pueden unir con otras de tres formas diferentes: 1) puentes de hidrógeno, 2) enlaces salinos, producto de interacciones ácido-base y 3) puentes disulfuro.

Cuando los combustibles son quemados, se produce dióxido de azufre y dióxido de carbono. Esto ocurre porque en las ciudades el aire tiene cinco veces más dióxido de azufre; el SO2 y el CO2 reaccionan con el vapor de agua en el aire para formar los ácidos, sulfuroso y carbónico, respectivamente. SO2 1 H2O



H2SO3

(ácido sulfuroso)

Cuando el cabello está mojado, los puentes de hidrógeno se rompen. Al peinarlo y formarlo, los puentes de hidrógeno se forman en lugares nuevos y mantienen el cabello peinado como se desea. Si usamos en el cabello una disolución ácida, con pH de 1 a 2, los puentes de hidrógeno y los enlaces salinos se rompen a la vez y sólo quedan los puentes disulfuro para mantener unidas las cadenas. En una disolución moderadamente alcalina de pH 8.5, algunos de los puentes de disulfuro también se rompen. La superficie externa del cabello se hace áspera y la luz no se refleja de manera uniforme en ella; el cabello se ve opaco. El uso de un champú alcalino causa daños por el continuo rompimiento de los puentes de disulfuro, y es la causa de las “puntas separadas” u orzuela.

CO2 1 H2O



H2CO3

(ácido carbónico)

Si el pH aumenta hasta 12 aproximadamente, el cabello se disuelve, porque se rompe todo tipo de enlace. El cabello tiene su resistencia máxima a un pH entre 4 y 5. El uso del champú tiende a dejarlo un poco alcalino, de modo que a veces se usa un enjuague débilmente ácido para regresar el pH a su intervalo normal. Para ello se acostumbra usar productos caseros como el jugo de limón o el vinagre.

a) En el aire (lluvia ácida)

Estos ácidos forman lo que se conoce como lluvia ácida, que causa severos daños a las esculturas de piedra principalmente. b) En el cuerpo La pared estomacal produce ácido clorhídrico, con un pH cerca de 2 en el estómago. Esta acidez ayuda a la descomposición de los alimentos, particularmente las proteínas y los carbohidratos. Las proteínas se descomponen en moléculas más pequeñas llamadas péptidos y aminoácidos. Los carbohidratos se transforman en moléculas más pequeñas, como la glucosa. Estas sustancias son clave para el funcionamiento adecuado de nuestro organismo. Como decíamos antes el pH de la sangre es de 7.4 (ligeramente alcalina). La mayoría de las reacciones en nuestro cuerpo se presentan dentro de un reducido rango de pH. Un cambio de pH en tu estómago te produce una indigestión, pero un cambio de pH de 0.5 en la sangre probablemente te mataría. Para prevenir estos cambios en el pH, nuestro organismo contiene sustancias que contrarrestan los efectos de los ácidos y de las bases o álcalis. c) En la casa La mayoría de los alimentos y bebidas contienen ácidos. Las frutas cítricas: naranjas, limones, piñas, toronjas, contienen ácido cítrico. La salsa catsup y el vinagre contienen ácido acético. Una de las bebidas más comunes, los refrescos o “sodas”, están hechos de dióxido de carbono disuelto en agua a presión. Algunas de las moléculas del CO2 reaccionan con el agua para formar el ácido carbónico. Cuando el refresco se destapa, escapa un gas con burbujas de CO2 que están en la bebida. Otras bebidas efervescentes que gustan mucho son los refrescos de cola y la limonada, que contienen ácido carbónico. d) En el suelo

Figura 2.79 El cabello tiene una resistencia máxima a un pH entre 4 y 5.

92

El pH es muy importante en los suelos agrícolas. En el suelo puede variar desde 4 a 8, pero la mayoría de los suelos tienen un pH entre 6.5 y 7.5. En áreas de yeso y piedra caliza, los suelos son alcalinos, pero en zonas areniscas y áreas reforestadas, los suelos normalmente son ácidos. Es conveniente tratar las áreas demasiado ácidas con carbonato de calcio e hidróxido de calcio para mantener el pH en los niveles antes mencionados y así tener una mejor producción de los suelos agrícolas.

Grupo Editorial Patria ® Ejemplos

HCl

Ácido clorhídrico



HBr

hidróxido de sodio

1 KOH

Ácido bromhídrico



H2SO4

hidróxido de potasio

1 Ba(OH)2

Ácido sulfúrico



1 NaOH

HCl

1 Mg(OH)2

Ácido clorhídrico



hidróxido de bario

HNO3

hidróxido de magnesio

1 Al(OH)3

Ácido nítrico

hidróxido de aluminio

Neutralización, formación de sales e indicadores



 Ácido

 2H2O

base  agua

Esta es la reacción fundamental que tiene lugar al neutralizarse mu­ tuamente los ácidos y las bases en disoluciones acuosas. Las pro­ piedades características de los ácidos y las bases desaparecen al reaccionar los iones responsables de estas propiedades para dar agua. Por tanto, se puede concluir que una reacción de neutraliza­ ción, según Arrhenius, es la que se efectúa entre un ácido y una base para producir sal más agua:

Ácido  1  base  HA

1 MOH

cloruro de sodio

agua

KBr 1 H2O bromuro de potasio BaSO4



1 H2O

sulfato de bario MgCl2

agua

1 H2O

cloruro de magnesio Al(NO3)3

agua

agua

1 H2O

nitrato de aluminio

agua

mediante el uso selectivo de estos indicadores ácido-base, algunos de los cuales se muestran a continuación:

Al entrar en contacto los ácidos y bases en disolución acuosa, los iones hidronio (H3O1) y los iones oxhidrilo (OH2) de la base se combinan para formar agua. La ecuación es la siguiente: H3O1  1 OH2 

NaCl 1 H2O

  sal  1  agua MA

H2O

Indicadores Son aquellas sustancias que responden a los medios ácido o básico con cambios de color. Son ácidos o bases débiles en los cuales la forma molecular tiene un color diferente al de la forma iónica. Para determinar el pH específico, se debe seleccionar un indicador ade­ cuado, puesto que éste tiene un cambio de coloración únicamente en cierto rango de pH. Los intervalos del pH de los indicadores ácido-base han sido cui­ dadosamente determinados; por tanto, si se hace la debida elec­ ción se podrá determinar un valor de pH con gran exactitud

Indicador

Intervalos de pH

Cambio de color

Violeta de metilo

0.2–2.0

Amarillo a violeta

Anaranjado de metilo

3.0–4.4

Rojo a amarillo

Azul de bromofenol

3.0–4.6

Amarillo a púrpura

Verde de bromocresol

3.8–5.4

Amarillo a azul

Rojo de metilo

4.4–6.2

Rojo a amarillo

Paranitrofenol

5.0–7.0

Incoloro a amarillo

Púrpura de bromocresol

5.2–6.8

Amarillo a púrpura

Azul de bromotimol

6.0–7.6

Amarillo a azul

Rojo de fenol

6.4–8.2

Amarillo a rojo

Púrpura de metacresol

7.6–9.2

Amarillo a púrpura

Fenolftaleína

8.2–10.0

Incoloro a rojo

Amarillo de alizarina

10.1–11.1

Amarillo a lila

Carmín de índigo

12–14

Azul a amarillo

Los pigmentos naturales llamados antocianinas producen tonos azules y rojos de hojas, tallo, flores y frutos. Cambian de color cuan­ do varía el pH, por eso es posible elaborar indicadores de vegetales con esos colores, por ejemplo: la col o el repollo morado, el betabel y la jamaica. 93

2

Sistemas dispersos

Actividad experimental Tubo 3, ácido sulfúrico:

Ácidos y bases

Tubo 4, ácido acético:

Propósito Estudiar las propiedades de algunos ácidos y bases comunes en la ex­ perimentación química. Obtener una base típica, el hidróxido de sodio. Material n 1

gradilla

n 8

tubos de ensayo de 13 3 100 mm

n papel

indicador

n pinzas

para crisol

n 1

navaja

n 1

cápsula de porcelana

n vidrio

de reloj

n 4

portaobjetos

n 2

pipetas de 5 mL

Sustancias n agua

destilada

n ácido

clorhídrico

n ácido

nítrico

n ácido

sulfúrico

n ácido

acético

n indicador

de fenolftaleína

n indicador

de anaranjado de

metilo n hidróxido

de sodio

n granallas

de zinc

n hidróxido

de amonio

n hidróxido

de calcio

n un

trocito de sodio metálico

¡Precaución! Maneja con mucho cuidado los ácidos y las bases, ya que te pueden causar severas quemaduras. Si tienes dudas consulta con tu profesor.

Experimento 2. Reacción con los metales 1. Prepara 4 tubos de ensayo siguiendo las indicaciones anteriores, en cada disolución de los diferentes ácidos deja caer unas cuantas granallas de zinc. Anota tus observaciones. Tubo 1, ácido clorhídrico: Tubo 2, ácido nítrico: Tubo 3, ácido sulfúrico: Tubo 4, ácido acético: Experimento 3. Propiedades de algunas bases 1. En la gradilla coloca tres tubos de ensayo, vierte en cada tubo 2 mL de agua destilada y al primero añade 6 gotas de la disolución de hidróxido de sodio, al segundo 6 gotas de disolución de hidróxido de amonio y al tercero 6 gotas de la disolución de hidróxido de calcio. Tubo 1, hidróxido de sodio: Tubo 2, hidróxido de amonio: Tubo 3, hidróxido de calcio: 2. Saca los tubos e inclínalos para que se humedezca una tira de papel indicador. Anota tus observaciones. Tubo 1, hidróxido de sodio: Tubo 2, hidróxido de amonio: Tubo 3, hidróxido de calcio:

PROCEDIMIENTO Experimento 1. Propiedades de algunos ácidos 1. En una gradilla coloca 4 tubos de ensayo y marca cada tubo de tal manera que indique el ácido que va a contener. 2. Vierte 2 mL (tomados con la pipeta) de agua destilada en cada tubo de ensayo y después 3 gotas de ácido concentrado (con otra pipeta) en su tubo respectivo y agita; toma un tubo de ensayo e inclínalo con cuidado; humedece un pedazo de papel indicador con la solución y retíralo. Anota tus observaciones. Tubo 1, ácido clorhídrico: Tubo 2, ácido nítrico: Tubo 3, ácido sulfúrico: Tubo 4, ácido acético:

3. Coloca unas gotas de cada disolución en 3 portaobjetos y agrega unas gotas del indicador fenolftaleína. Anota tus observaciones. Tubo 1, hidróxido de sodio: Tubo 2, hidróxido de amonio: Tubo 3, hidróxido de calcio: 4. A las disoluciones sobrantes de los tubos de ensayo, añade una gota del indicador anaranjado de metilo; compara la intensidad del color en los tubos de ensayo. Anota tus observaciones. Tubo 1, hidróxido de sodio: Tubo 2, hidróxido de amonio: Tubo 3, hidróxido de calcio:

3. Coloca unas gotas de cada uno de los tubos de ensayo en 4 portaobjetos y añádeles unas gotas del indicador fenolftaleína. Anota tus observaciones.

Compara y comenta los resultados obtenidos con los de otros compañeros de clase.

Tubo 1, ácido clorhídrico:

Conclusiones:

Tubo 2, ácido nítrico: 94

Grupo Editorial Patria ®

Sustancia

Cambió el papel tornasol rojo

Cambió el papel tornasol azul

Carácter ácido o básico

sosa vinagre limpiador de amonio leche de magnesia saliva



Actividad experimental



Actividad experimental

Identificación de ácidos y bases en sustancias de uso común

Neutralización de una base

Reúnete con tus compañeros de clase y realiza este experimento en tu casa; anota tus observaciones y conclusiones. Comenta los resultados obtenidos con los de otros compañeros y analiza las diferencias.

Comprobar que la neutralización es la reacción entre un ácido y una base y que produce una sal.

Propósito Determinar con ayuda de papel tornasol rojo y azul si una sustancia es ácida o básica. Procedimiento 1. Pídele a tu maestro varias tiras de papel tornasol rojo y varias tiras de papel tornasol azul. 2. Coloca una o dos gotas de cada una de las sustancias siguientes, en el papel tornasol rojo y azul, para saber si es un ácido o una base. Sustancia

jugo de naranja

Cambió el papel tornasol rojo

Cambió el papel tornasol azul

Carácter ácido o básico

Propósito

Material n 10

mL de amoniaco doméstico

n 10

mL de vinagre blanco

n 1

gotero

n 20 n 6

mL de agua de col

tiras de papel filtro (preparado con el agua de col)

Procedimiento 1. Humedece una orilla del papel indicador en el amoniaco. Anota tus observaciones. ¿Hubo cambio de color? ¿A cuál? 2. Humedece otro papel indicador con vinagre. Anota tus observaciones. ¿Hubo cambio de color?

leche

¿A cuál? 3. Llena el gotero con vinagre.

té

café

4. Deja caer el vinagre sobre la orilla humedecida con amoniaco gota a gota hasta que cambie al color original del papel. ¿Qué tipo de sustancia es el vinagre?

95

2

Sistemas dispersos

¿Y el amoniaco?

Compara tus resultados con los de otros compañeros y discute las diferencias si es que las hay.

5. Deposita, poco a poco, el ácido sobrante en el recipiente que contiene amoniaco. ¿Qué le ocurre al papel indicador?

Anota tus observaciones y conclusiones.

  Actividad formativa 1. Escribe cinco propiedades de los ácidos y cinco de las bases en el siguiente cuadro. Ácidos

Bases

2. Contesta las siguientes preguntas: a) ¿Qué es un ácido? b) ¿Qué es una base o hidróxido? c) ¿Qué es una sal? d) ¿Qué es un indicador? e) ¿Qué es el calor de neutralización? 3. Completa las siguientes reacciones químicas: a) Ácido clorhídrico 1  hidróxido de potasio

b) Ácido nítrico 1  hidróxido de sodio

c) Ácido clorhídrico 1  hidróxido de calcio

96

Grupo Editorial Patria ®

Actividad transversal

Socioemocional Escudo de armas El objetivo de esta actividad es que los alumnos se autoevalúen en el aquí y ahora, conforme al yo profundo. I. Dibuja un escudo de armas en una hoja en blanco, semejante al siguiente:

Numera cada espacio del escudo del 1 al 6.

II. E scribe la respuesta a cada una de las siguientes preguntas en el lugar indicado en el escudo de acuerdo con el número asignado: pregunta 1, respuesta en el espacio 1 y así sucesivamente hasta la pregunta 6. 1. ¿Quién soy yo? 2. ¿Cuál ha sido mi mayor logro? 3. ¿Qué es lo que me gustaría que todo mundo se diera? 4. ¿Cuál ha sido ni mayor falla? 5. ¿Qué haría si me quedara un año de vida y tuviera garantizado el éxito en lo que yo emprendiera? 6. Tres cosas que me gustaría que la gente dijera de mí, si hoy muriera.

97

2

Sistemas dispersos

Actividad formativa

Completa el siguiente mapa conceptual.

La concentración de las disoluciones

Puede ser

Molar

ppm

se define como

puede ser

que significa

% masa

98

se obtiene con la fórmula

se obtiene con la fórmula

se obtiene con la fórmula

un ejemplo es

un ejemplo es

un ejemplo es

ejemplo

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La autoevaluación es una estrategia que te permite conocer y valorar tu progreso en el proceso de aprendizaje, también te ayuda a profundizar en gran medida en el autoconocimiento y comprensión de una actividad. Marca con una la respuesta.

O

AUTOEVALUACIÓN Nombre del estudiante: Tiempo asignado:

Fecha:

Núm.

Logrado

Actitud

1.

Leí correctamente todas las indicaciones.

2.

Atendí cada una de las instrucciones.

3.

Realicé todas las actividades que se solicitaron.

4.

Entregué en tiempo y forma todo lo que se solicitó.

5.

Busqué en medios electrónicos la información solicitada.

6.

Logré hacer todo lo que pidieron en las actividades.

7.

Me gustaron todas las actividades.

8.

Escribí sin faltas de ortografía.

9.

Expresé mis ideas con claridad.

10.

Demostré que comprendí la lectura.

Sí

Puntuación máxima:

No

10

Puntuación obtenida.

Comentarios:

Actividad formativa con TIC Utilizando Internet completa el siguiente cuadro: Sistema

Definición

Ejemplo

Disolución Coloide Suspensión Emulsión Envía tu respuesta por correo electrónico a tu profesor.

99

2

Sistemas dispersos

Evaluación sumativa



Ha llegado la hora de que demuestres realmente cuánto has aprendido, hemos terminado este bloque y ahora ya conoces muchas cosas nue­ vas. En esta sección encontrarás una serie de actividades que están diseñadas para valorar los conocimientos y actitudes del proceso de apren­ dizaje adquirido durante el desarrollo del bloque, las cuales te permitirán mejorar tu desempeño a lo largo del curso. I.

Cuestionario

Propósitos: 1. Identificar los métodos que utiliza el estudiante al responder las preguntas de carácter científico de forma correcta y, a partir de ello, validar los resultados obtenidos con los de sus compa­ ñeros de clase. 2. Explicar los procesos teóricos que dan solución a los proble­ mas planteados, así como demostrar su utilidad e identificar la importancia que tiene su aplicación en actividades de la vida cotidiana.

c) ¿Cómo se clasifican las disoluciones acuosas? d) ¿Qué es una disolución diluida? e) Escribe tres ejemplos de disoluciones diluidas. f ) ¿Qué es una disolución saturada?

Instrucciones: 1. Analiza y resuelve cada uno de los reactivos que integran este cuestionario.

g) Escribe tres ejemplos de disoluciones saturadas.

2. Intercambia el trabajo realizado con un compañero, contras­ ten los resultados obtenidos y soliciten la retroalimentación del profesor a fin de tener la información clara y correcta.

h) ¿Qué es una disolución sobresaturada?

a) ¿Qué es una disolución acuosa?

b) Escribe tres sustancias cotidianas que sean disoluciones acuosas.

i) ¿Qué es la solubilidad? j) ¿Cuál es la importancia del agua en nuestro organismo?

II. Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el recuadro de la izquierda. 1.  ¿Cuál de las siguientes sustancias se comprime?

a) un cubo de plata b) ½ litro de agua c) ¼ de litro de CO2 d) hielo 2.  Toma la forma del recipiente que lo contiene y presenta el fenómeno de la viscosidad: a) sólido b) líquido c) gas d) plasma 3.  No se comprime y tiene espacios intermoleculares pequeños: a) sal de cocina b) alcohol c) gas natural d) un refresco 4.  Una parte uniforme de materia es llamada: a) mezcla b) heterogénea c) fase d) sistema heterogéneo 5.  Es el cambio de estado que sufre la cera al calentarse: a) solidificación b) evaporación c) sublimación d) fusión 6.  Cuando metes el agua al congelador, el cambio de estado que sufre es: a) sublimación b) solidificación c) condensación d) evaporación 100

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 7.  Si dejas destapado el alcohol éste cambia al estado gaseoso, cambio que se denomina:

a) fusión b) cristalización c) evaporación d) licuefacción  8. Cuando el aire gaseoso se pasa a líquido, el cambio es: a) licuefacción b) vaporización c) cristalización d) congelación  9. La sublimación implica el cambio de: a) gas a sólido y de sólido a gas sin pasar por el líquido. b) sólido a líquido. c) líquido a gas pasando por sólido. d) sólido a líquido pasando por gas. 10. Al calentar agua en un recipiente con tapa de vidrio y dejarla enfriar el vapor de agua cambia a líquido; el cambio de estado se llama: a) evaporación b) efusión c) condensación d) sublimación 11.  Método que se usa para separar una mezcla de dos sustancias que tienen diferente punto de ebullición. a) evaporación b) destilación c) sublimación d) filtración 12. Las mezclas se caracterizan porque: a) Tienen propiedades físicas y químicas diferentes. b) Su composición es definida. c) Se separan sus componentes por medios mecánicos. d) Se requiere una gran energía para separar sus componentes. 13. La diálisis, la cromatografía y la centrifugación son ejemplos de métodos de separación de: a) elementos b) compuestos c) mezclas d) cambios de estado 14. El método adecuado para lograr la separación de una mezcla formada por dos líquidos solubles entre sí es: a) evaporación b) destilación c) condensación d) filtración 15. ¿Cuáles de los siguientes métodos sirven para separar mezclas? a) solidificar, licuar y gasificar b) congelar, fundir y evaporar c) filtrar, cristalizar y destilar d) disolver, agitar y dispersar 16. Los componentes de la sangre se separan por: a) destilación b) decantación c) evaporación d) centrifugación 17. Los cristales de yodo al calentarse pasan del estado sólido a vapores violetas; a este fenómeno se le llama: a) fusión b) sublimación c) condensación d) evaporación 18. Los coloides presentan las siguientes características: a) Sedimentan la fase dispersa y sus partículas son grandes. b) Tienen movimiento browniano y presentan el efecto Tyndall. c) No presentan fase dispersa, pero sí dispersora. d) La fase dispersora se mueve en forma especial y la fase dispersa no. 19. Las soluciones se caracterizan por: a) Presentar una fase dispersa con partículas pequeñas disueltas en la fase dispersora. b) Presentar una fase dispersora, pero no dispersa. c) Flocular la fase dispersa separándose de la dispersa y formando dos fases. d) Tener partículas grandes que podemos ver dispersas en la fase dispersora. 20. Son características de las suspensiones: a) El tamaño de sus partículas es pequeño y presentan el efecto Tyndall. b) La fase dispersora no se separa de la fase dispersa y presentan movimiento browniano. c) El tamaño de las partículas de la fase dispersa es grande y sedimentan separándose de la fase dispersora. d) No sedimenta la fase dispersa y las partículas de esta fase son pequeñas. 101

2

Sistemas dispersos

III. Relaciona ambas columnas escribiendo dentro del recuadro la letra correcta. 1. Unión aparente entre dos o más sustancias las cuales, al separarse por procesos físicos o mecánicos, conservan sus propiedades.

a) Sublimación b) Fusión

2. Cambio del estado líquido a gas o vapor.

c) Mezcla

3. Sistema con más de una fase.

d) Licuefacción

4. Presenta baja densidad y se comprime.

e) El gas dióxido de carbono

5. Paso de una sustancia del estado sólido al de gas o vapor y de éste nuevamente al estado sólido sin pasar por el líquido.

f ) Los sólidos

6. Sistema con una sola fase.

g) Heterogéneo h) Evaporación

7. Cambio del estado sólido a líquido.

i) Homogéneo

8. Presenta forma y volumen definidos. 9. Cambio del estado gaseoso a líquido.

IV. Escribe la palabra homogénea o heterogénea, según corresponda a cada una de las siguientes mezclas: a) Agua con aceite de máquina

e) Limadura de hierro y azufre

b) Acetona con agua

f ) Alcohol y agua destilada

c) Arena de mar y agua

g) Refresco con hielo

d) Leche con agua

V. Escribe sobre la línea una V si el enunciado es verdadero y una F si es falso: 1. Si tenemos partículas suspendidas en un líquido no se

4. En la filtración separamos partículas sólidas por su ta­



2. Líquidos miscibles se separan por destilación.

5. La sal de cocina se obtiene por evaporación.



3. A las partículas que sedimentan no les afecta la grave­



pueden separar.

dad.



maño.

6. Líquidos no miscibles se separan por centrifugación.

VI. Relaciona las siguientes columnas, anotando en el recuadro de la izquierda la letra que corresponda a la respuesta correcta. 1. La centrifugación se utiliza para separar... 2. Una mezcla de acetona y agua se separa por... 3. Una mezcla de yodo y arena al calentarla, se separa por... 4. Para quitar la nata de la leche se utiliza el método de... 5. El método utilizado para separar aceite de agua es la... 6. Cuando el agua se pone en el congelador del refrigerador se... 7. Para separar tinta negra lo hacemos por... 8. Cuando llueve, se mojan las calles y si de repente sale el sol, el agua sufre una… 9. Al tener una disolución de cloruro de sodio, para recuperar la sal en forma sólida, se efectúa…

102

a) Filtración b) Sublimación c) Destilación d) La crema de la leche e) Evaporación f ) Solidifica g) Cristalización h) Decantación i) Cromatografía

Grupo Editorial Patria ®

VII. Resuelve los siguientes problemas. 1. ¿A qué porcentaje en masa corresponden 40 g de hi­ dróxido de calcio (Ca(OH)2), en una disolución de 200 g de agua? 2. ¿Cuántos gramos de sulfato de cobre (CuSO4), disueltos en 25 mL de agua, se necesitan para preparar 100 mL de disolución a 80% en masa? 3. ¿Cuál es el porcentaje en volumen en una disolución que contiene 30 mL de concentrado de jamaica en 500 mL de agua? 4. ¿Qué cantidades de agua y alcohol se necesitan para pre­ parar una disolución de alcohol a 70% en volumen? 5. Calcula la concentración porcentual de 500 gramos de disolución si contiene disueltas las siguientes cantidades de soluto: Gramos g soluto de % de masa 5 3 100 g disolución soluto (g)

8. ¿Qué porcentaje en masa resultará al disolver 30 g de sal de mesa en 100 g de agua?

9. ¿Cuántos gramos de una disolución a 15% en masa de nitrato de sodio contienen 450 g de disolución? 10. ¿Cuál será el porcentaje en volumen de una disolución líquida que se ha preparado disolviendo 90 mL de soluto en 90 mL de disolvente? (cuando soluto y solvente es­ tán en la misma cantidad, cualquiera puede ser tomado como soluto o solvente).

Concentración (%)

11. Las soluciones salinas fisiológicas que se usan en las inyec­ ciones intravenosas tienen una concentración en masa de 1.5% de cloruro de sodio, ¿cuántos gramos de cloruro de sodio se necesitan para preparar 500 g de esta disolución?

5 50 100 250 500

6. Calcula el volumen de soluto necesario para preparar 500 mL de disolución a las siguientes concentraciones porcentuales: Concentración porcentual

Proporción

12. ¿Cuál es el tanto por ciento en masa de 45 g de bromuro de sodio en 100 g de agua?

Volumen de soluto

5% 10% 25% 40%

13. ¿Qué volumen de alcohol a 80% se puede preparar si sólo se dispone de 200 mL de alcohol isopropílico puro?

50%

7.  ¿Cuál será el porcentaje en masa de una disolución que se ha preparado disolviendo en 120 g de agua, 30 g de cloruro de potasio (KCl)?

14. ¿Qué volumen de ácido nítrico se necesita para preparar 250 mL de una disolución a 100%?

103

2

Sistemas dispersos

15. ¿Cuál es el tanto por ciento en volumen de alcohol de una botella de brandy, si en 525 mL hay 26 mL de alcohol?

18. ¿Qué peso de NH4Cl se necesita para preparar 100 mL de una disolución que tenga 70 mg/mL de NH4Cl?

16. Calcula el tanto por ciento en volumen de 10 mL de alco­ hol disueltos en agua para completar 50 mL de disolu­ ción.

19. ¿Cuántos gramos de HCl concentrado (con 37.9% en peso de HCl y 62.1% en peso de H2O) producirán 5 g de HCl?

17. ¿Cuál es la concentración en g/L, cuando se disuelven 700 mg de Na2SO4 en 250 mL de agua destilada?

20. Se necesita preparar 100 g de una disolución de NaOH al 19.7% en peso. ¿Cuántos gramos de NaOH y de H2O, se necesitan?

Comentarios sobre los resultados de los reactivos:

Revisado por: Comentarios del profesor:

104

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Autoevaluación Nombre del estudiante:

Propósito: ¿Para qué me sirve la autoevaluación?: n

Reflexionar sobre el logro de los aprendizajes esperados y de­ sarrollo de competencias.

n

Reconocer los conocimientos, habilidades y actitudes que he adquirido durante mi aprendizaje.

n Implementar

estrategias que fomenten el desarrollo de las competencias establecidas en el bloque.

n

Establecer acciones que lleven a mejorar mi proceso de apren­ dizaje.

Grupo:

n

Valorar mis habilidades y actitudes en situaciones presentes en mi entorno, además de saber cómo me perciben las personas que me rodean.

n

Dirigir mis acciones de manera responsable, respetuosa y em­ pática hacia mis semejantes.

n

Fomentar al diálogo, para la retroalimentación y conclusión de actividades.

Fecha de apliclación:

Instrucciones: 1. Lee con atención lo que se indica y realiza la actividad conforme a las indicaciones que se establezcan. 2. Cuando hayas terminado, indica sí o no lo has logrado, o si estás en proceso de lograrlo. Criterios

Sí

No

Comentarios

Explico las diferencias entre elemento, compuesto, mezclas homogéneas y heterogéneas en productos de uso común. Distingo los sistemas dispersos de acuerdo con el tamaño de partícula. Reconozco las diferencias entre disolución, disolvente y soluto en productos de uso diario. Describo los distintos métodos de separación y considero las propiedades físicas de los componentes de una mezcla. Identifico las expresiones utilizadas para mostrar la concentración de una solución. Explico qué es la concentración cuantitativa de soluciones relacionando las cantidades de los componentes que la forman. Explico el carácter ácido o básico de una solución acuosa por medio de indicadores. Clasifico sustancias en función de sus características y su valor de pH. Explico los procesos que generan la lluvia ácida. Escucho y respeto los diferentes puntos de vista.

¿Qué aprendí sobre el desarrollo de los conocimientos? ¿Qué debo mejorar?  Mis conclusiones son: 

105

2

Sistemas dispersos

Coevaluación Nombre del estudiante:

Propósito: Implementar estrategias que ayuden al logro de los aprendizajes esperados del bloque. Grupo:

Fecha de apliclación:

Instrucciones: n

Leer con mucha atención las preguntas o instrucciones que se deben realizar.

n

Cotejar la información presentada con los criterios de este instrumento e ir marcando con un x según corresponda, y

n

De ser necesario, realizar un comentario en el apartado correspondiente, a fin de que se tome en cuenta para retroalimentar y finalizar la actividad.

Criterios

Cumple Sí

No

Comentarios

Comprueba la utilidad de los sistemas dispersos en procesos presentes en su entorno. Proporciona ejemplos sobre la clasificación de la materia en situaciones de la vida cotidiana. Clasifica productos de uso cotidiano de acuerdo con el tipo de sistema disperso al que pertenece. Identifica sustancias del medio ambiente de acuerdo con el tipo de sistema disperso al que pertenece. Aplica métodos físicos para separar los componentes de mezclas reales e hipotéticas. Reconoce la concentración en soluciones reales e hipotéticas. Valora la aplicación de diferentes soluciones en el entorno. Explica la importancia de conocer el grado de acidez y basicidad de sustancias de uso común. Reconoce el impacto que producen los ácidos y bases en el medio ambiente. Mantiene una conducta propositiva en beneficio del entorno. Como evaluador, ¿consideras que puede mejorar tu compañero o compañera? ¿En qué? Escribe de forma clara tus sugerencias.

Verificado por el profesor o la profesora:

106

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Heteroevaluación Nombre del estudiante:

¿Qué es la heteroevaluación?: Este instrumento es para que tu profesor proporcione información sobre tus fortalezas y aspectos que puedas mejorar, a partir de una revisión de los aprendizajes que has adquirido durante el desarrollo del bloque. Grupo:

Fecha de apliclación:

Criterios

Cumple Sí

No

Comentarios

Explica el concepto de materia y sus elementos. Explica qué es una mezcla homogénea y una heterogénea. Proporciona ejemplos de los sistemas dispersos. Describe las características de las disoluciones, coloides y suspensiones. Distingue si una mezcla es una disolución, un coloide o una suspensión. Clasifica las mezclas de acuerdo con sus características y las ejemplifica correctamente. Explica los diferentes métodos de separación. Proporciona ejemplos de concentración de soluciones cualitativas y cuantitativas. Menciona las propiedades de ácidos y bases para explicar fenómenos presentes en el medio ambiente. Describe correctamente cómo se forma una disolución diluida.

Fortalezas:

Aspectos a mejorar:

Conclusiones:

Verificado por el profesor o la profesora:  107

BLOQUE

3

Compuestos del carbono y macromoléculas Propósito Toma una postura responsable ante el impacto de los compuestos del carbono argumentando la importancia de éstos en procesos biológicos industriales.

30 horas

Conocimientos 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10

Carbono   Configuración electrónica   Geometría molecular   Hibridación Cadenas   Cerradas   Abiertas Fórmulas   Desarrollada   Condesada   Semidesarrollada Isomería   Función   Cadena   Posición Hidrocarburos   Nomenclatura Propiedades físicas de hidrocarburos   Solubilidad   Estado físico Propiedades químicas de hidrocarburos   Combustión Grupos funcionales   Nomenclatura uiqpa Macromoléculas naturales   Proteínas   Carbohidratos   Lípidos Macromoléculas sintéticas   Polímeros   Polímeros de adición

Aprendizajes esperados  Reconoce al átomo de carbono como el elemento fundamental en la estructura de los compuestos orgánicos de interés biológico e industrial.  Utiliza el lenguaje químico para referirse a hidrocarburos y grupos funcionales, identificando sus aplicaciones en diversos ámbitos.  Diferencia los distintos gurpos funcionales al relacionarlos con compuestos orgánicos de interés biológico e industrial.  Analiza éticamente el impacto ambiental y económico de los compuestos orgánicos naturales y sintéticos.  Toma una postura ética ante las ventajas y desventajas del uso de polímeros sintéticos del interés tecnológico y biológico relacionándolo con su impacto social, ambiental y económico.

Habilidades  Identifica la tetravalencia del átomo de carbono a partir de su configuración electrónica.  Emplea el concepto de hibridación para explicar la geometría de moléculas orgánicas y los tipos de enlace que forma.  Identifica los tipos de cadena que se presentan en compuestos orgánicos.  Escribe los tipos de fórmulas para representar a compuestos orgánicos.  Distingue los tipos de isomería en compuestos orgánicos.  Representa isómeros a partir de una formula molecular.  Clasifica a los hidrocarburos en función de la estructura y tipo del enlace.  Utiliza el lenguaje químico para nombrar y formular hidrocarburos.  Representa reacciones balanceadas de combustión de hidrocarburos de uso común.  Identifica el grupo funcional presente en compuestos orgánicos de interés industrial y biológico.  Utiliza el lenguaje químico para nombrar y formular compuestos orgánicos funcionales.  Diferencia las macromóleculas naturales de las sintéticas.  Identifica a los monómeros que constituyen a las macromoléculas naturales.  Clasifica los carbohidratos y las proteínas por el número de monómeros que fomra la estrutura.  Explica cómo se obtiene la energía para realizar las funciones vitales a partir de la combustión de carbohidratos.  Clasifica a los lípidos de acuerdo a su estructura química.  Identifica los tipos de estructura de las proteínas.  Describe las funciones específicas de las macromoléculas naturales.

Evaluación diagnóstica Competencias genéricas 3.2 Toma decisiones a partir de la valoración de las consecuencias de distintos hábitos de consumo y conductas de riesgo. 5.6 Utiliza las tecnologías de la información y comunicación para procesar e interpretar información. 8.3 Asume una actitud constructiva, congruente con los conocimientos y habilidades con los que cuenta dentro de distintos equipos de trabajo.

Competencias disciplinares básicas 3. Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas. 4. Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. 5. Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones. 7. Hace explícitas las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos. 10. Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos. 14. Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana.

Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el recuadro de la derecha. 1. ¿Cuál de los siguientes enunciados corresponde al campo de estudio de la química orgánica? a) Obtención del bicarbonato de sodio b) Obtención de ácido acético c) Propiedades del grafi o d) Propiedades del ácido carbónico 2. En los compuestos orgánicos los elementos que más frecuentemente intervienen en su composición son: a) Si, P, B, k, Mg, Ca b) C, S, Si, P, Mg, Na c) C, N, B, Ra, Pb, M d) C, H, O, N, S, P 3. ¿Cuáles de los siguientes compuestos corresponden a la misma función química? a) CH3—CH2—NH2 y CH3—CONH2 b) CH3COOH y HO—CH3 c) CH3—COONa y CH3—COOH d) C6H5—COOH y CH3—(CH2)14—COOH 4. ¿Cuál de las siguientes fórmulas condensadas corresponde a un alqueno? a) C6H6 b) C6H10 c) C6H12 d) C6H14 5. El compuesto 2-buteno, presenta isomería:

CH3

CH3

H

C=C H a) Geométrica

b) De serie

C=C H

c) Óptica

6. La estructura CH3(CH2)4CH=CH2 corresponde al compuesto: a) Hexano-6 b) 1-Hepteno c) 2-Hexeno 7. La estructura:

CH3

CH3 d) Funcional

d) Heptano-6

CH3—CH2—C = C – CH3 CH3

CH3

Corresponde al compuesto: a) 2,3- dimetil- 3-hexeno b) 4,5- dimetil-3-hexeno

c) 2,3-dimetil-2-penteno d) 4,5-dimetil-3-hepteno

8. Son aquellos compuestos orgánicos que se nombran utilizando la palabra “oxi”. a) Aldehídos b) Amidas c) Éteres d) Ácido carboxílico 9. Compuestos formados por un radical alquilo y un halógeno. a) Ésteres b) Haluros c) Alcoholes

d) Cetonas

10. Sustancias orgánicas complejas que se descomponen y forman otras más simples: a) Proteínas b) Aminóacidos c) Polímeros d) Lípidos Actitudes  Promueve el trabajo metódico y organizado.  Resuleve situaciones de forma creativa.  Se relaciona con los demás de forma colaborativa.  Privilegia el diálogo para la construcción de nuevos conocimientos.  Muestra un comportamiento propositivo en beneficios del entorno.  Toma decisiones de manera responsable.

11. Es uno de los materiales principales utilizados en el siglo xxi: a) Vidrio b) Plástico c) Policarbonato

d) Poliéster

12. Proporcionan la energía que necesita el ser humano para realizar sus funciones: a) Carbohidratos b) Proteínas c) Lípidos d) Aminoácidos 13. Es un ejemplo de macromolécula sintética: a) Nylon b) Seda

c) Etileno

d) Propileno

H

3

Compuestos del carbono y macromoléculas



Situación didáctica

¿Está preparado México para tener una economía no petrolizada?



Secuencia didáctica

1. Con la guía de tu profesor intégrate en un equipo de cuatro o cinco compañeros. Realicen la siguiente actividad y contesten las preguntas correspondientes. 2. Compara y analiza las dos gráficas que muestran el consumo mundial de petróleo por regiones y sus reservas, para contes­ tar las preguntas que aparecen después:

d) ¿Qué países consumen más de las reservas que poseen? ¿Por qué? e) ¿A qué regiones del mundo podría exportar México? f ) ¿Qué acciones debe tomar México para tener un de­ sarrollo económico más sólido que el actual? 3. Qué beneficios sociales se derivan de la venta del petróleo crudo? 4. ¿Qué costos económicos, sociales y ambientales puede tener la extracción de grandes cantidades de petróleo para exportar? 5. ¿Es benéfico para México exportar únicamente petróleo?, ¿por qué? 6. Qué es más benéfico para un país, ¿exportar petróleo crudo o productos derivados del mismo? ¿Por qué? 7. De acuerdo con la demanda y la oferta del petróleo crudo, ¿qué sucederá con el precio de este recurso no renovable en los próximos 10 años?

a) ¿Qué región del mundo consume más petróleo? ¿Por qué? b) ¿Qué región del mundo tiene el menor consumo? ¿Por qué? c) De acuerdo con su reserva y consumo de petróleo, ¿qué países pueden exportar sus excedentes? 110

8. Consideras que el carbón, las piedras bituminosas y los hidro­ carburos de plantas son posibles sustitutos del petróleo. ¿En tu opinión, cuál de ellos tiene un futuro más prometedor? ¿Por qué? 9. De los dos usos generales del petróleo (como combustible y como materia prima), ¿cuál es el que tiene más posibilidades de ser restringido primero al menguar el suministro de petró­ leo? ¿Por qué?

Grupo Editorial Patria ®

Rúbrica 1. De acuerdo con la gráfica del % de consumo de petróleo, ¿qué lugar ocupa México como región? 2. ¿Qué regiones o países son los más consumidores de petró­ leo? ¿Por qué?

13. Elabora un reporte donde expreses de manera objetiva tus re­ flexiones sobre esta actividad, en la que México pueda salir adelante económicamente sin tener petróleo a futuro. Material

3. ¿Qué regiones o países son los menos consumidores? ¿Por qué?

n Libro de texto

4. ¿En la gráfica de reserva de petróleo, qué posición ocupa México?

El producto tiene un valor de 5 puntos y se califica con base en el esfuerzo realizado, en los libros consultados, el análisis de las gráficas, entre otros. El trabajo presentado por escrito tie­ ne un valor de 3 puntos y la presentación grupal un valor de 2 puntos de la evaluación mensual. Total: 10 puntos.

5. Observa y compara las barras de las regiones de Medio Orien­ te con las de Estados Unidos y Canadá. ¿Qué opinas de ello? 6. ¿Qué región está en primer lugar en el consumo de petróleo? ¿Por qué?

n Internet

Criterios de evaluación

7. ¿Qué región está en primer lugar en la reserva de petróleo? 8. ¿Las economías de los países con una alta reserva petrolera son más sólidas? ¿Por qué? 9. ¿Las economías de los países con mayor consumo petrolero están más consolidadas y desarrolladas económicamente? ¿Por qué? 10. ¿Qué otro tipo de combustible no petrolero pudiera utilizarse a futuro? 11. Debate cuáles de esas formas de combustible son válidas y cuáles no. 12. Establece las conclusiones correspondientes.



  Portafolio de evidencias

Pasos para hacer el portafolio de evidencias. 1. En una computadora crea una carpeta con el nombre Química2. 2. Crea un archivo en un procesador de textos con tu nombre_Química2. 3. Crea dentro de la carpeta Química2 otra carpeta con tu nombre_Bloque3. 4. Dentro de la carpeta Bloque3 guarda las evidencias que indique tu profesor. 5. Envía los archivos por correo electrónico a tu profesor.

111

3  

Compuestos del carbono y macromoléculas

3.1 Carbono

La mayoría de los materiales de uso común con los que estamos en contacto durante nuestras actividades diarias se derivan de fuentes orgánicas, tales como ropa de vestir, la variedad de pinturas que existen en el mercado para diversos usos, alimentos preparados para cocinarse en minutos, variedad de materiales en los automóvi­ les modernos, bebidas alimenticias, medicamentos, combustibles poderosos, etcétera. La química orgánica estudia la tecnología empleada en los produc­ tos mencionados. El nombre de órganicos (es decir, sintetizados por seres vivos) se debe a que antes muchos de esos compuestos se obtenían de fuentes animales o vegetales. En la actualidad, se producen de manera artificial miles de materia­ les orgánicos en laboratorios e industrias. En 1828 se obtuvo por primera vez un compuesto orgánico a par­ tir de uno inorgánico. El alemán Friedrich Wöhler calentó en for­ ma accidental el cianato de amonio y sintetizó la urea (compuesto que resulta de la transformación de algunas proteínas y es compo­ nente de la orina). La descomposición del cianato de amo­nio no originó la separación de sus átomos, pero sí un nuevo arreglo de ellos, lo cual resultó sor­ prendente. La conversión de isocianato de amonio en urea acabó con la idea de la fuerza vital y estableció un enlace entre la química inorgánica y la orgánica. La denominación orgánica ha persistido como medio cómodo para clasificar grupos de compuestos que tienen diversas características en común. El análisis de muchos de los compuestos orgánicos efectuados en los primeros tiempos demostraron que contenían carbono e hidrógeno, y algunos de los siguientes ele­ mentos oxígeno y nitrógeno; halógenos, azufre, fósforo. Hoy sabe­ mos que la característica común de los compuestos clasificados como “orgánicos” es que todos contienen el elemento carbono; por tanto, podemos definir a la química orgánica como aquella que

Figura 3.1 Friedrich Wöhler realizó la síntesis de urea con materia inorgánica, con eso refutó la idea de que existía una diferencia entre la materia orgánica y la inorgánica.

112

estudia a los compuestos del carbono, en cuanto a su composición, propiedades, obtención, transformaciones y usos. También se pue­ de definir de una manera más sencilla como la química de los com­ puestos del carbono, de manera que los compuestos que no contienen carbono se denominan inorgánicos. Cabe mencionar que diversos compuestos que contienen carbono, como el dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), ácido carbónico (H2CO3) y otros carbonatos, se clasificaron como inorgánicos an­ tes de la síntesis de Wöhler; por comodidad, se ha respetado tal clasificación, así que forman parte de la química inorgánica. Los átomos de carbono pueden unirse entre sí para formar cadenas hasta miles de átomos y anillos de varios tamaños, lo cual es impo­ sible para la mayoría de los elementos del sistema periódico. En química ya existe un amplio campo de estudio del boro (B), del silicio (Si) y del azufre (S) como elementos encadenados; sin em­ bargo, aún no se compara con el del carbono. En los compuestos del carbono sorprende el hecho de que con un arreglo atómico diferente se tiene un compuesto con propiedades distintas. Lectura En 1839, 11 años después de la reacción de Wöhler, el estadounidense Charles Goodyear (1800-1860) descubrió por accidente que el caucho natural adquiere la característica de la elasticidad al ser tratado con azufre a alta temperatura (es decir, se vulcaniza). En esa época nadie conocía la estructura molecular del hule, ni siquiera Goodyear, él sólo sabía que al calentarlo con azufre obtenía las propiedades que deseaba, pero ignoraba el porqué. Aunque patentó el proceso no mejoró su situación económica, pues murió en Nueva York pobre y endeudado el 1 de julio de 1860. Al proceso que descubrió se le llamó vulcanización, en honor a Vulcano, dios romano del fuego.

Figura 3.2 El uso del caucho vulcanizado ha evolucionado la sociedad actual; como en los neumáticos.

Grupo Editorial Patria ® En la actualidad se conocen más de 900 000 compuestos inorgáni­ cos y aproximadamente 10 millones de compuestos orgánicos; en los primeros intervienen todos los elementos de la tabla periódica y en los segundos pocos son los que participan, por ejemplo: C, H, O, N, S, P, los halógenos y algunos metales.

Diferencias entre compuestos orgánicos e inorgánicos Propiedad

Orgánicos

Tipo de enlace

Predomina el enlace covalente

Predomina el enlace iónico

Solubilidad

Son solubles en solventes no polares

Por los general son solubles en agua

Conductividad eléctrica

No son buenos conductores de la electricidad

Son buenos conductores de la electricidad

Puntos de fusión y de ebullición

Bajos

Altos

Estabilidad

Muy inestables, se descomponen fácilmente

Son muy estables

Velocidad de reacción

Por lo general las reacciones son muy lentas

Las reacciones son casi instantáneas

Estructuras

Forman estructuras complejas de elevado peso molecular

No forman estructuras complejas y sus pesos moleculares son bajos

Isomería

Inorgánicos

6C 5

1s

2s 2px 2py 2pz

Sus números de oxidación son +4, –2, –4. Si el carbono mantuviera esta configuración se podrían formar sólo compuestos bivalentes, ya que los únicos electrones que participarían en el enlace serían los: 2p1x y 2p1y. Sin embargo, esto no explicaría la mayor parte de la formación de los compuestos orgánicos en donde el carbono es tetravalente, por ejemplo, en el metano (CH4): H

Muy frecuente

Es muy raro

H

C

H

H Para explicar la formación de los cuatro enlaces covalentes en los compuestos orgánicos es necesario incluir dos nuevos conceptos: a) La promoción de electrones con orbitales vacíos. b) La hibridación de orbitales. En el caso del inciso a) si consideramos que uno de los dos electro­ nes del orbital 2s se promueve al orbital vacío 2pz, mediante la aplicación de cierta cantidad de energía interna, obtenemos la siguiente configuración electrónica: 6C 5

1s

2s 2px 2py 2pz

estado excitado

Es tan amplio el número de compuestos orgánicos que es necesario clasificarlos y nombrarlos para continuar después su estudio, según sus métodos de obtención, sus propiedades físicas y químicas y, por último, sus usos. Las diferencias mencionadas aceptan la evidencia experimental, aunque existen algunas excepciones. Por tanto, es muy importante conocer la estructura del átomo de carbono.

Configuración electrónica El átomo de carbono es el principal elemento que constituye a los compuestos orgánicos, se localiza en el grupo IVA, periodo 2 de la tabla periódica, su número atómico es 6 y su masa atómica es de 12 uma; su configuración en el estado basal es: 2 2 2 6C 5 1s 2s 2p 2 2 1 1 0 6C 5 1s 2s 2p x2p y2p z

Figura 3.3 Algunos productos obtenidos a partir del petróleo.

113

3

Compuestos del carbono y macromoléculas A esta configuración se le conoce como estado excitado y además explica la tetravalencia del átomo de carbono, debido a los cuatro electrones desapareados.

Otras moléculas presentan una geometría lineal, como el CO2 con un ángulo de 180°. O  C  O 180º

En el estado excitado del átomo de carbono los orbitales son los que participan en la formación de en­ Figura 3.4 Modelo espacial tetraédrico del laces, lo cual da como resultado metano (CH4). que tres de ellos sean equivalentes y el cuarto distinto. Sin embargo, en todos los casos sencillos son iguales, por lo que podemos supo­ ner la igualación de energía de los cuatro orbitales en la que se ob­ tendrán cuatro orbitales nuevos llamados “híbridos” debido a que tienen características de ambos orbitales s y p, para este caso son sp3, proceso o estado conocido como de hibridación.

s

sp

sp

sp

El trifluoruro de boro (BF3) presenta una geometría plana trigonal, con un ángulo de 120°. F 120º B F

F 120º

Otras moléculas presentan la geometría tetraédrica, con un ángulo de 109.5°, por ejemplo el metano (CH4). H

sp

Los orbitales híbridos con sp3 son más estables que los originales s y p.

120º

C H

H H

Como el átomo de carbono es tetravalente, se pueden formar mo­ léculas gigantes como el diamante y el grafito, o pueden combinar­ se con otros átomos de carbono formando lo que se llama “longitud de enlace”; por ejemplo, el butano tiene una longitud de enlace de 4, debido a que tiene cuatro átomos de carbono enlaza­ dos entre sí.

Geometría molecular En química la geometría molecular se refiere al ordenamiento tri­ dimensional que presentan los átomos de la molécula. De igual manera el estudio de la hibridación de los orbitales nos permite interpretar cómo una molécula en el espacio se encuentra orienta­ da, qué ángulo posee entre enlace y enlace, su polaridad y, por tan­ to, su comportamiento químico frente a otras sustancias.

Figura 3.5 Representación de la estructura lineal del dióxido de carbono.

Por ejemplo, la molécula de agua tiene un ángulo de enlace de 105.8°, casi 106°, por lo que su geometría molecular es la siguiente: O H

H 105.8º

114

Figura 3.6 Representación de la estructura trigonal del ion carbonato.

Grupo Editorial Patria ® Al enlazarse cuatro átomos de hidrógeno con un átomo de carbo­ no se forma el metano. Los enlaces resultan del traslape del orbital s de cada átomo de hidrógeno con uno de los orbitales híbridos sp3 del átomo de carbono, formando un ángulo de 109.5°.

Cuidado de la salud

Cuando dos átomos se unen con enlace covalente el ángulo entre sus núcleos será de 180°. Si tres átomos se combinan, el ángulo en­ tre sus ejes será de 120°. El eje de enlace es una recta entre los nú­ cleos de enlace. En la naturaleza encontramos varias especies químicas cuyos ángulos de enlace miden 180°. Las fórmulas es­ tructurales para algunas de estas moléculas son las siguientes:

¿Por qué es necesario realizar ejercicio para mantenernos sanos?

O 5 N 5 O1

O 5 C 5 O1

O 5 C 5 O2

Forma espacial de los pares de electrones de acuerdo con los electrones libres Número de pares

Geometría Ángulo de pares de enlace

Acomodo de iones 180°

2

120°

3

Lineal

180º

Plano trigonal

120º

109.5°

4

Tetraédrica



109.5º

  Actividad formativa

¿Qué es la química orgánica? Escribe cinco diferencias entre compuestos orgánicos e inorgánicos. a) b) c)

Actividad transversal

Instrucciones: Lee cuidadosamente el siguiente texto, subraya las palabras que no conozcas su significado, anótalas al final del texto y busca su significado utilizando Internet.

La importancia del cuidado de nuestra salud también abarca el aspecto psicológico y las emociones. Tener una actitud positiva ante la vida, entablar relaciones personales sanas, limitar las situaciones de estrés y propiciar el optimismo son prácticas que no podemos perder de vista, ya que nos ayudarán a que nuestra salud mejore. Desde finales del siglo xx y todo lo que llevamos del siglo xxi, millones de personas han incrementado notablemente en todo el mundo la práctica del ejercicio físico vigoroso, como caminar, correr, nadar, andar en bicicleta, y dedicarle varias horas a la semana. Esta práctica, que obliga a trabajar con más ahínco al corazón y los pulmones, se denomina aeróbico, y provoca que el sistema cardiovascular envíe más sangre y oxígeno a los músculos. Con el tiempo el corazón se vuelve más eficiente y bombea más sangre y oxígeno con cada latido. Un ritmo cardiaco lento suele ser indicio de actividad atlética frecuente. Un corredor de alto nivel puede tener un ritmo cardiaco de unos 40 latidos por minuto, cifra inferior al promedio. Si el corazón late con más lentitud y eficiencia, su desgaste se reduce al igual que el de las arterias. No obstante, en muchos países, las enfermedades cardiovasculares encabezan la lista de padecimientos mortales, así que toda acción que impida más muertes es beneficiosa. Debido a que el corazón bombea con más fuerza durante el ejercicio, la sangre fluye por las arterias vigorosamente. Algunos médicos opinan que esto evita la formación de placa, sustancia que recubre las paredes de las arterias e impide el paso de sangre, causando ataques cardiacos. El ejercicio estimula la producción de endorfinas en el cerebro, sustancias calmantes con una estructura similar a la morfina. Se cree que además de su efecto analgésico, las endorfinas ayudan a controlar el estrés y el mal humor. Esto explicaría el bienestar mental posterior a un ejercicio vigoroso. El ejercicio ayuda a la formación de los huesos y mejora los músculos. Unos huesos más fuertes evitan el peligro de una enfermedad degenerativa como la osteoporosis. Un músculo más grande es más eficiente, más flexible y genera más energía, además de que en esas condiciones ayuda a evitar la fatiga. Los ejercicios isométricos, isotónicos e isocinéticos fortalecen los músculos. Palabras del texto anterior que no conozco su significado:

d) e)

115

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

Escribe cinco sugerencias y/o actividades que sirvan para tener un cuerpo sano: 1.  2. 

3. Arma el tetraedro y pégalo. 4. Pinta las esferas pequeñas de color rojo y la más grande de color negro. 5. Une las esferas con los popotes (o con otro material). La figura que obtengas es la estructura tetraédrica del metano.

3. 4.

Contesten las siguientes preguntas.

5.

¿Cuál de los modelos te fue más difícil realizar? ¿Te gusta cómo quedaron?

Actividad experimental

Elaboración de un modelo molecular para el metano (CH4) Con la guía de tu profesor, intégrate en un equipo de cuatro o cinco compañeros. Realicen esta actividad y contesten las preguntas correspondientes. Elaboren un informe escrito y expónganlo al resto del grupo.

¿Cuál te gusta más?

¿Por qué? Conclusiones:

Propósito Representar la molécula del metano en forma sencilla. Material n 4

bolas de unicel de 2 a 3 cm de diámetro

n 1

bola de unicel de 2 a 5 cm de diámetro

n 2

popotes de plástico. También pueden utilizarse palitos grandes de madera

Hibridación

n pintura

Procedimiento

El carbono es el único elemento que presenta los tres tipos de hi­ bridación conocidos como: sp3, sp2, sp, originando así la simple, doble y triple covalencia que se explica a continuación.

1. Traza un tetraedro regular sobre el cartoncillo como el que se muestra en la figura.

sp

2. Recorta el contorno y dobla por las líneas punteadas.

Se forma por la combinación de un orbital s con un orbital p, esto es:

vinílica (dos colores diferentes, puede ser negro para el carbono y rojo para el hidrógeno)

Dos regiones de densidad electrónica alrededor del carbono nos da una estructura lineal (con un ángulo de 180°).

2s

2p

Enlaces

2p ETINO (ACETILENO)

180°

Figura 3.7 Modelo en cartoncillo del metano. Enlaces

116

2 sp

Enlaces

Grupo Editorial Patria ® La geometría del etino o acetileno se explica según la combinación de dos orbitales híbridos sp de carbono. Los dos enlaces p se forman de los orbitales p de los átomos de carbono que no se hibridaron.

  Actividad formativa

¿Qué significa hibridación? Escribe dos ejemplos de hibridación que no usen términos de orbitales atómicos. ¿Qué tipos de orbitales forman los enlaces en el eteno (CH2 5 CH2)?

sp2 Se forma por la combinación de un orbital s con dos orbitales p, esto es: Tres regiones de densidad electrónica alrededor del carbono, nos da una estructura trigonal (con un ángulo de 120°). La geometría del eteno o etileno se explica con base en la combinación de dos orbitales híbridos sp2 de carbono. Los enlaces sigma C-H se encuentran en un mismo plano. Con la hibridación los orbitales p de los átomos de carbono se combinan para formar un enlace π. Enlace

Enlace

H

H

2s

3 sp2

2p

120°

p

H

H Orbital sp2 ETENO (ETILENO)

sp3

Se forma por la combinación de un orbital s con tres orbitales p, esto es: cuatro regiones de densidad electrónica alrededor del carbono.

2s

4 sp3

2p sp3

2py

109.5° 4

Hibridación

Enlace 2pz

2s

2px

sp3

sp3

sp3 Metano

Como ya mencionamos, la geometría del metano nos da una estructura tetraédrica (con un ángulo de 109.5°), pero si queremos establecer la estructura del etano, emplearemos la combinación de dos orbitales híbridos sp3 de carbono para su explicación. El enlace sencillo se forma cuando se traslapa entre sí un orbital híbrido de cada átomo de carbono. 117

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

Figura 3.8 Estructuras trigonales representativas.

Figura 3.9 Estructuras tetragonales representativas.

Cuando cuatro o más átomos componen una especie química, for­ man una estructura trigonal en la que el átomo central y los otros tres a los que está unido, se encuentran en el mismo plano. En este caso los ángulos de enlace miden 120°. En cada caso las áreas sombreadas representan un tipo de enlace el cual se extiende sobre toda la molécula. Si los átomos son 5 o más formarán un modelo tetragonal en el que los cuatro átomos periféricos están equidistantes uno del otro. Aho­ ra debemos comenzar a visualizar las estructuras químicas en tres dimensiones. La estructura electrónica de los átomos que constituyen una molécula orgánica determina la estructura tridimensional de ésta y sus propiedades. Figura 3.10

Química de la materia. Modelo de enlace tetragonal.

118

Una forma de visualizar la geometría molecular es considerando las distintas formas en que los orbitales atómicos s y p pueden tras­ laparse al compartir electrones. Como ya se estudió, en el átomo

Grupo Editorial Patria ® de carbono se presentan los tres tipos de orbitales híbridos: sp3, sp2 y sp, por lo que podemos tener las siguientes estructuras mo- leculares que nos permiten enlazar en­ tre sí muchos átomos de carbono, con otros carbonos e hidrógenos, dando lugar a gran número de compuestos orgánicos conocidos en la actualidad, lo cual constitu­ ye una fuente inagotable de investigación para obtener más compuestos. De manera que es importante mencionar que la combinación de orbitales atómicos puros da origen a la formación de orbitales moleculares híbridos: Figura 3.11 Auto del futuro fabricado con nuevos materiales y funciona con hidrógeno como combustible.

1 orbital atómico s

1

1 orbital atómico p

1 orbital híbrido sp

Al presentarse un enlace covalente como el mostrado antes, ambos orbitales comparten el par de electrones. Se conocen dos tipos de enlaces moleculares: los sigma (σ) y los pi (π). El enlace sigma (σ) se presenta cuando los dos orbitales s-s o s-p se traslapan en forma lineal:

orbital atómico s

1

orbital s

1

orbital s

orbital p (en forma lineal)

orbital molecular sigma s (σ s)

orbital molecular sigma sp (σ sp)

Cuando dos orbitales p se traslapan lo hacen de dos formas, ya que éstos no son esféricos. Si dos orbitales p se traslapan a lo largo del eje entre los núcleos de los dos átomos, se forma un enlace tipo (σ), tal como se muestra a continuación:

orbital p

1

orbital p

orbital molecular sigma p (σp)

Sin embargo, cuando los dos orbitales p se traslapan de manera lateral, con sus ejes paralelos, se forma un enlace (π), tal como se muestra a continuación:



orbital p vertical

1

orbital p vertical

orbital molecular pi (π) p. 119

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

  Actividad formativa

Explica las geometrías de las siguientes moléculas: a) SF4 b) SeO2  c) BF3



Lectura Las propiedades de las sustancias se dan en función de su estructura molecular y; por tanto, se tienen diferentes parámetros de medición de la fuerza de su enlace intermo­lecular.

Completa el siguiente mapa conceptual.

120

  Actividad formativa

Grupo Editorial Patria ®

  3.2 Cadenas Las propiedades de las diversas sustancias y los usos de un material dependen de su estructura molecular. Existen varios métodos para conocer la estructura de las moléculas; el primero se considera la fuerza de repulsión entre los pares de electrones que están alrede­ dor de un átomo. El segundo toma en cuenta las distintas maneras en que los orbitales atómicos pueden combinarse para formar or­ bitales alrededor de más de un núcleo. Los electrones que ocupan estos orbitales combinados enlazan a los átomos entre sí. En el ter­ cero, las moléculas tienen más de una estructura posible y el cuarto considera a los orbitales de las moléculas como una unidad y no como orbitales pertenecientes a átomos individuales. Debido a su tetravalencia el átomo de carbono forma moléculas gigantes como el diamante o el grafito al combinarse de maneras diferentes. También se combina con otros átomos de carbono y forma lo que se llama longitud de enlace; por ejemplo, el butano tiene una longitud de enlace de 4, ya que está formado por cuatro átomos de carbono enlazados entre sí:

H

H

H

H

H

Abiertas Las cadenas abiertas o lineales, en realidad tienen forma de zigzag, con ángulos aproximados a 109º, debido a la estructura tetraédri­ ca del átomo de carbono cuando sólo posee enlaces sencillos. Ejemplos: C C

Acíclicos

Esqueletos de compuestos orgánicos

C

C

C

C

C

C

C

C

C C

C

Saturados

Lineales (a) Arborescentes (b)

No saturados

Lineales (c) Arborescentes (d)

C

C

C

C

Saturados

Cíclicos

Nota: Se llama esqueleto a la secuencia de átomos de carbo­ no unidos entre sí, únicamente.

C

Ejemplos:

La longitud de la cadena de carbono determina la mayoría de sus  propiedades físicas, tales como el punto de ebullición y la solubilidad. Los gases y líquidos que tienen bajo punto de ebulli­ ción son compuestos con cadenas cortas, los compuestos con ca­ denas medianas son líquidos, mientras que los sólidos tienen cadenas largas.

De acuerdo con la estructura de los esqueletos que constitu­ yen los compuestos orgánicos, éstos se pueden clasificar como se muestra a continuación:

C

Las cadenas cerradas o cíclicas pueden ser desde tres átomos de carbono en adelante, formando figuras.

H

A continuación se explican con más detalle las estructuras o es­ queletos orgánicos.

C

Cerradas

H

H—C—C—C—C—H H

Una cadena carbonada es el esqueleto de prácticamente todos los compuestos orgánicos y está formada por un conjunto de va­ rios átomos de carbono, unidos entre sí mediante enlaces covalen­ tes carbono-carbono y a la que se unen o agregan otros átomos como hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N) principalmen­ te, formando variadas estructuras. Las cadenas pueden ser abiertas o cerradas.

Homocíclicos

Heterocíclicos

Alicíclicos Aromáticos (i) Saturados No saturados

No saturados

Simples (e) Arborescentes (f) Simples (g) Arborescentes (h)

Simples (j) Arborescentes (k) Simples (l) Arborescentes (m)

121

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

Acíclico. Esqueleto de cadena abierta. Cíclico. Esqueleto de cadena cerrada. Saturado. Enlace simple entre átomos de carbono, se refiere a los hidrocarburos saturados o alcanos. No saturado. Un doble o triple enlace entre átomos de carbono. Se refiere a los alquenos y alquinos, respectivamente. Homocíclico. Esqueleto cerrado, formado sólo con átomos de car­ bono.

122

Heterocíclico. Es un esqueleto cerrado, formado con algún átomo diferente al carbono (por ejemplo: O, N, S, P, entre otros). Lineal. Esqueleto sin arborescencias o ramificaciones. Arborescente. Esqueleto con ramificaciones (radicales) unidas a la cadena principal. Alicíclico. Se deriva de compuestos alifáticos cíclicos o esqueleto cíclico que no contiene un anillo bencénico.

Grupo Editorial Patria ® Aromático. Esqueleto cíclico de seis carbonos unidos mediante do­ bles y simples ligaduras de manera alternada; también es llamado bencénico.

2. La estructura de un esqueleto homocíclico saturado simple es: C

Simple. Se refiere a los esqueletos cíclicos sin arborescencias.

C

Es importante saber que los átomos de carbono de los esquele­ tos anteriores se completan con átomos de hidrógeno, proceso conocido como saturación de una molécula orgánica. El átomo de carbono por su tetravalencia se puede saturar con cuatro áto­ mos de hidrógeno, si no se combina con uno o más átomos de carbono.

Explicación: es homocíclico porque es un ciclo con átomos de carbono exclusivamente; saturado porque entre cada áto­ mo de carbono hay ligadura simple; y es simple porque no hay ramificaciones o arborescencias.

Ejemplos:

3. La estructura de un esqueleto heterocíclico no saturado arborescente es:

1. La estructura de un esqueleto acíclico no saturado arborescente es:

C

C

C

C

S

C

C

C

C

C

C

C

C

C

Explicación: es acíclico porque presenta cadena abierta; no saturado, por la presencia de la doble ligadura, y arbores­ cente porque tiene una ramificación unida a la cadena más larga.

Explicación: es heterocíclico porque en el ciclo hay un átomo diferente al carbono, en este caso está el azufre (S); no satura­ do, por la doble ligadura en el ciclo; y arborescente porque tiene dos ramificaciones. H

H

H

H

H

H

H

H

H

De acuerdo con los esqueletos del cuadro anterior al saturar las ligaduras con átomos de hidrógeno, también se pueden escribir de la siguiente a) H — C — C — C — H o CH3 — CH2 — CH3 manera: H

H

H

a) H — C — C — C — H H

H

H

H

H

H

o

b) H — C — C — C — H

o

CH3 — CH2 — CH3

CH3 — CH — CH3

o

CH2  CH2

H

H

c) H — C  C — H

o

CH3

H

d) H — C — C  C — C — H

CH2  CH2

H

H H

o

CH3 — C  C — CH3 CH3

H H—C—H H

H—C—H CH3

H

d) H — C — C  C — C — H H

CH3 — CH — CH3

H—C—H

H

H

o

CH3

H H H—C—H c) H — C  C — H H H H

CH3

H H H—C—H

H

b) H — C — C — C — H

H H—C—H

o

H

H

C CH3 — C  C — CH3 e) H — C — C — H CH3 H H

CH2 O

CH2 — CH2

123 O

3

124

Compuestos del carbono y macromoléculas

Grupo Editorial Patria ®

 3.3 Fórmulas

sar confusión. Por ejemplo, la fórmula condensada C4H10 puede CH — CH2 — CH2 — CH3 corresponder al n-butano. 3

De acuerdo con la tetravalencia del átomo de carbono, los com­ puestos orgánicos se pueden representar mediante tres tipos de o al isobutano: fórmulas: o al isobutano: 1. Condensada o molecular. o al isobutano: 2. Semidesarrollada o de estructura.

CH3 — CH2 — CH2 — CH3

CH3 — CH — CH3 —

 

CH3 CH3 — CH — CH 3 —

3. Desarrollada o gráfica.

CH

Condensada

Semidesarrollada 3

La fórmula condensada o molecular indica sólo el número to­ tal de átomos de cada elemento del compuesto, por ejemplo: C4H10.

En la fórmula semidesarrollada se indican sólo los enlaces entre los carbonos que constituyen el compuesto:

En química orgánica esta fórmula no es muy utilizada, debido a que varios compuestos pueden tener la misma, lo cual puede cau­

CH3 — CH2 — CH2 — CH3

125

o al isobutano: CH3 — CH — CH3

 3.4 Isomería

Es la representación más recomendable, ya que expresa con clari­ dad el tipo de compuesto de que se trata e indica entre qué elemen­ tos se realiza la unión o enlace químico.

En química orgánica existen muchos compuestos llamados isóme­ ros, que tienen la misma fórmula condensada, pero diferente fórmu­ la estructural o semidesarrollada; en otras palabras, son compuestos de igual fórmula molecular, pero con distintas propiedades.

Desarrollada En la fórmula desarrollada o gráfica se indican todos los enlaces presentes en la molécula orgánica.

En estos isómeros es necesario indicar el orden y la distribución en el espacio de los átomos mediante las fórmulas semidesarrolladas.

H

Para los hidrocarburos la isomería puede ser:

—

H

—

H

—

—

H

1. De cadena o estructural 2. De posición o lugar

H

—

H

—

H

—

—

H—C—C—C—C—H H

3. Geométrica o cis-trans

Aunque esta fórmula indica todos los enlaces de la molécula, no es adecuada para compuestos de alto peso molecular, ya que su escri­ tura se complica demasiado.

4. Óptica o estereoisomería 5. Funcional

A continuación se ejemplifica cada tipo de fórmulas.

Cadena

Cuadro: Ejemplos de tipos de fórmulas utilizadas en química orgánica

La isomería de cadena o estructural la presentan principalmente los alcanos, en los cuales varía su estructura. Por ejemplo, el butano (C4H10) se puede representar de la siguiente manera:

H

n — butano H H

H H H—C—

CHCH 4 4 CH CH44

H —HC — H

CH CH33—CH —CH33

— — — — — — —

C C22H H66

CHCH 3—CH 3—CH 3 3

H H

H

H CH H—C— —H

H HH H

H— H H— H —HC —HC — HH — H— C— CH C— C H H —

C2H C62H6CH3—CH3

H

H— H— H— C— CH H H H H— — C— —H H H C H

H CH3—CH3

n — butano

— — — — —

CH CH44

126

—

—

—

—

—

—

— — — —

—

— — — —

— —

—

H

—

—

— —— — — — — —

— —

— —— — — —— —

—

—

—

— —— —

—

—

—

H H

—

H H— — C— — C —H H H C H HC H— H HH H H H H H H C3H8 C3H8 CH3 — CH2CH — 3CH —3CH2 — CH3 H — C — C —C—H H — C — C — C — H H H H CH3 — CH2 — CH3 H H H H H H H H HH H—C—C—C— CH3 — CH2 — CH3 H—C—C—C—H H H H H H H HH HH H H H H C4H10 C4H10 CH3 — CH2CH — 3CH —2CH — 2CH —3CH2 — CH3 —C— H H HH H CH——CC——CC——HC — C — H CH3 — CH2 — CH2 — CH3 H H H HH H H—C—C—C— C —H H HH HH H CH3 — CH2 — CH2 — CH3 H—C—C—C—C—H H H H H H

H

H

H

Figura 3.12 Isómeros de cadena o estructural del butano.

—

CH3 — CH —CH CH3 3— CH — CH3 —

CH CH CH3 — CH2 — CH CH 3— 2— 2— 3 CH2 — CH3

— — — —

CHCH 4 4 CH4

Desarrollada o gráfica

— — —— — — — — —— —

CH4

Semidesarrollada o de estructura

— — — —

Condensada o molecular

6

2H6

Compuestos del carbono y macromoléculas

— —— —

H4

3

CH3

CH3

isobutano

isobutano

Grupo Editorial Patria ®

Propiedades de los isómeros del butano Nombre

n-butano

isobutano

Fórmula molecular o condensada

C4H10

C4H10

2138.5 °C

2160 °C

Punto de ebullición

0.5 °C

212 °C

Densidad a 20 °C

0.579 g/mL

0.557 g/mL

Punto de fusión

Figura 3.13 Isómeros geométricos del 2-buteno.

Posición

C — C H

CH3

CH3

CH3

—

CH3

—

Trans — 2 — buteno

Cis — 2 — buteno

El isómero cis tiene tiene los dos grupos metil (CH3) del mismo lado del doble enlace y el isómero trans, en lados opuestos.

Isomería óptica o estereoisomería La isomería óptica o estereoisomería es aquélla en la cual los com­ puestos orgánicos tienen el mismo orden de enlace de los átomos, pero difieren en la forma en la que éstos se ordenan en el espacio. Los elementos más importantes de esta isomería son:

—

H

H

—

—

H

COOH H C C — C H CH3 OHCH3

—

C — C —

— buteno

—

—

H

—

— C

H —

CH3

—

CH3

—

La presencia de la doble ligadura impide la libre rotación de los áto­ mos de carbono en ese punto, lo cual origina la llamada isomería geométrica o cis-trans. Por ejemplo, isómeros del buteno -2

Un estereoisómero es quiral (del griego kheir que significa manos) cuando no es superponible con su imagen especular y no posee un plano o centro de simetría. Las imágenes especulares que no se su­ perponen se denominan enantiómeras. Un enantiómero que rota el plano de la luz polarizada en la dirección de las manecillas del reloj (a la derecha) tal como lo vería un observador, es dextrorrota­ torio (1). El enantiómetro que rota la luz hacia la izquierda es le­ vorrotatorio (2). La forma racémica (12) es ópticamente inactiva porque no rota el plano de la luz polarizada, es decir, se tiene una mezcla de igual número de moléculas de cada enantió­ metro. Por ejemplo, ácido láctico: C3H6O3 COOH

Trans — 2 — buteno

—

Isomería geométrica o cis-trans

2. Centro de simetría. Es un punto en el centro de una molécula a partir del cual si se traza una línea ésta encuentra otro átomo de la misma especie.

C —

—

2-buteno

—

1-buteno

——

1 2 3   4 CH3CHCHCH3

—

 

—

1  2 3 4 CH2CHCH2CH3

1. Plano de simetría. Se encarga de dividir una molécula en dos mitades equivalentes. Es como si se coloca un espejo de tal modo que una mitad de la molécula sea la imagen especular de la otra molécula.

H

—

La isomería de posición o lugar se presenta en los alquenos y al­ quinos, esto se debe al cambio de lugar de la doble o triple ligadura en la cadena principal. Por ejemplo, isómeros del buteno: C4H8

CH3

HO

Función Por último, la isomería funcional es cuando tenemos una misma fórmula condensada que corresponde a diferentes grupos funcio­ nales. Por ejemplo,

C2H6O

CH3 2 O 2 CH3 (éter metílico)

CH3 2 CH2 2 OH (alcohol etílico) 127

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

  Actividad formativa

Contesta las siguientes preguntas: 1. ¿Cuáles son los tipos de fórmulas utilizadas en química orgánica?

    2. ¿Qué es la isomería?

  3. ¿Cuántos tipos de isomería se conocen?

 



  Actividad formativa

Completa el siguiente mapa conceptual. ESQUELETOS ORGÁNICOS Pueden ser

Acíclicos

Cíclicos

se dividen en

se dividen en y No saturados

Homocíclicos

Heterocíclicos

Ejemplos

Ejemplos

128

Ejemplos

Aromáticos

No saturados

Ejemplos

Ejemplos

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 3.5 Hidrocarburos Los hidrocarburos son los com­ puestos más importantes obteni­ dos por el hombre, ya que de ellos se consigue una enorme variedad de productos petroquí­ micos. Antes eran sustancias rela­ tivamente puras, derivadas del petróleo y sólo se empleaban en la industria química. En la actua­ lidad los procesos de conversión se integran como parte de los procesos de separación, por lo Figura 3.14 que hacen productos originales Refinería moderna. más complejos; así pues, las com­ pañías petroleras están entrando al mercado químico; de modo que casi todas las sustancias quími­ cas se pueden considerar sustancias petroquímicas. A continua­ ción se mencionan algunos productos obtenidos de los principales hidrocarburos y que se relacionan con la gasolina, producto que mueve la económica mundial.

Figura 3.16 Extracción del petróleo.

Gases de petróleo Gasolina

Queroseno

Nomenclatura

Gasoil

Los hidrocarburos son los compuestos orgánicos más sencillos y es­ tán formados por carbono e hidrógeno. Dentro de los hidrocarburos hay grados y tipos diferentes de reactividad química. Se clasifican se­ gún el número de enlaces covalentes formados entre los átomos de carbono de los compuestos. Los hidrocarburos constituyen una de las clases más amplias de compuestos orgánicos y se dividen en dos clases principales: alifáticos y aromáticos. Los hidrocarburos alifáticos no contienen el grupo benceno  o el anillo bencénico, mientras que los hidrocarbu­ ros aromáticos contienen uno o más anillos bencénicos. A su vez, los alifá­ticos se dividen en alcanos, ci­cloalcanos, alquenos y alquinos. Si en la composición sólo in­ tervienen enlaces de carbonocarbono, entonces los hidrocarburos se llaman alcanos o parafinas y son hidrocarburos saturados, ya que sólo un par de electrones es compartido entre los carbones. Los compuestos que contienen dobles enlaces

Figura 3.15 Yacimiento petrolífero.

Lubricantes Petróleo crudo-caliente

Aceites combustibles Asfaltos

Columna de destilación Figura 3.17 Productos obtenidos del petróleo.

Figura 3.18 El petróleo es la fuente de obtención de hidrocarburos.

129

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

—

—

—

—

H

H

H

H — C1º. — C1º. — H

En este caso, decimos que es un carbono primario. Existe un carbono secundario cuando dos de sus valencias se encuentran unidas a dos carbonos adicionales, por ejemplo: —

—

—

—

H

—

H

—

H

—

—

—

—

— —— —

Por último, si las cuatro valencias de carbono están unidas con átomos de carbono adicionales, se trata de un carbono cuaternario, por ejemplo:

H

H

H

H — C1º. — C2º. — C1º. — H

Ahora bien, si el carbono está unido con tres de sus valencias a tres carbonos adicionales, obtenemos un carbono terciario, por ejemplo:

Figura 3.19 Modelo molecular del butano.

—

H

—

—

— C. — C — H

H H—C—HH —

HH—C—H

H

—

— C

H

—

—

C4º.

H

—

H— C —

—

H

——

H— C —H

H Butano Butano

Como se mencionó anteriormente, en los esqueletos de los com­ puestos orgánicos encontramos que una de sus valencias está uni­ da a un carbono adicional y las otras tres están ocupadas por hidrógeno o cualquier átomo o grupo de átomos, como sigue: H

H

—

— —— —

CH3 — CH2 — CH3 CH3 —Propano CH2 — CH3 Propano

— —— —

— —— —

— —— —

— —— —

— —— —

CH3 — CH3 CHEtano 3 — CH3 Etano

H H H H H H H H H—C—C—C—C—H H—C—C—C—C—H H H H H H 3— H CH2H— CH H 2 — CH3 CH CH3 — CH2 — CH2 — CH3 — —— —

H H H H H H H—C—C—C—H H—C—C—C—H H H H H H H

H

H — C1º. — H

—

CH4 Metano CH 4 Metano

— —— —

— —— —

— —— —

H H H H H—C—C—H H—C—C—H H H H H

H

H — C1º. — C3º. — C1º. — H

—

Los alcanos son los hidrocarburos más sencillos que existen, den­ tro de éstos el más simple es el metano, CH4; este compuesto tiene un arreglo tetraédrico al estar unido a los cuatro hidrógenos. El que sigue en tamaño es el etano, C2H6. El tercero es el propano, C3H8 , y el cuarto es el butano, C4H10. Las siguientes estructuras corres­ ponden a los alcanos:

130

H

H

Alcanos

H H H—C—H H—C—H H H

H

—

de carbono-carbono se llaman alquenos u olefinas y los compues­ tos que contienen triples enlaces de carbono-carbono se llaman alquinos o acetilenos.

H

Observa las siguientes fórmulas de alcanos: CH3 2 CH3 Etano CH3 2 CH2 2 CH3 Propano CH3 CH2 2 CH2 2 CH3 Butano CH3 2 CH2 2 CH2 2 CH3 Pentano En las fórmulas anteriores de los alcanos notamos que el butano contiene un carbono y dos hidrógenos más que el propano, que éste a su vez tiene un carbono y dos hidrógenos más que el etano, y así sucesivamente. Por tanto, a una serie de compuestos cuyos miembros difieren del siguiente en un valor constante se denomina serie homóloga y sus miembros son homólogos. La fórmula general de los alcanos es: CnH2n12, donde “n” es el nú­ mero de carbonos de hidrocarburos saturados. Para nombrar a los hidrocarburos saturados es necesario conocer con anticipación los nombres de algunos grupos orgánicos a los que se les conoce como radicales alquilo (R2). Un radical es un átomo o grupo de átomos que constituye sólo parte de una molécula; por ejemplo: CO322, NH411, SO422; en las estructuras orgánicas los radicales que aparecen constantemente están formados por carbo­ no e hidrógeno, por ejemplo: CH32, CH32CH22, etc. Observa­ mos que estos radicales derivan su estructura de la de un hidrocarburo saturado que ha perdido un átomo de hidrógeno, de manera que su nombre se deriva del hidrocarburo principal susti­ tuyendo la terminación ano por il o ilo. A continuación se escri­ ben los radicales alquilo más comunes.

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CH4 Metano

CH3 — Metil o metilo

CH3 — CH3 Etano

CH3 — CH2 — Etil o etilo

CH3 — CH2 — CH3

CH3 — CH2 — CH2 —

Propano

Propil o propilo —

CH3 — CH — CH3 Isopropil o isopropilo CH3 — CH2 — CH2 — CH2 — nbutil o nbutilo CH3 — CH2 — CH — —

CH3 — CH2 — CH2 — CH3 nbutano

CH3 — CH — CH3 Isobutano

—

—

CH3

CH3 Secbutil o secbutilo CH3 CH3 — CH — CH2 — isobutil o isobutilo —

CH3

—

CH3 — C — CH3 terbutil o terbutilo CH3 — CH2 — CH2 — CH2 — CH3 npentano

CH3 — CH2 — CH2 — CH2 — CH2 — npentil o npentilo

— —

CH3 — CH2 — CH2 — CH —

— —

CH3

CH3 — CH — CH2 — CH3 isopentano

— —

CH3 secpentil o secpentilo CH3 CH3 — CH — CH2 — CH2 — isopentil o isopentilo — —

CH3

— —

CH3 — CH2 — C —

CH3 — C — CH3 CH3 Neopentano

— — — —

— — — —

CH3

terpentil o terpentilo CH3

CH3

CH3 — C — CH2 — CH3 Neopentil o neopentilo

131

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

De acuerdo con lo anterior, la fórmula general de los radicales al­ quilo es: CnH2n11.

  Actividad formativa

3. Mezclen el vaso 2 en el 1 agitando de manera continua con la varilla, y cuando la temperatura disminuya a 40 ºC añadan el colorante y el perfume.

Contesta las siguientes preguntas:

4. Coloquen en un envase la emulsión obtenida antes de que se enfríe.

1. ¿Qué es un radical alquilo?



¿Químicamente es lo mismo una cera que una grasa?

2. ¿Cuál es la principal fuente natural para obtener hidrocarburos?



¿Por qué?



¿La mezcla del primer vaso es soluble en agua?



¿Cómo lo comprobarían?



¿La mezcla del primer vaso es soluble en aguarrás?



¿Cómo lo comprobarían?



¿Se disuelve el aguarrás en el agua?



¿Cuál de los dos es más denso?

 

Actividad experimental

¿Cómo obtener una crema para limpiar muebles? Sigan las instrucciones de su profesor; reúnanse en equipos de cuatro o cinco alumnos y realicen la siguiente actividad. Contesten las preguntas que aparecen al final y con sus conclusiones elaboren un informe escrito de la actividad y expóngalo frente al grupo. Material n 2

vasos de precipitados (o recipientes) de 250 mL n 1 varilla de madera para agitar n 1 termómetro n 1 soporte de aro y nuez n 1 mechero n cera de abejas

n  parafina n  ácido

esteárico

n  aguarrás n  trietanolamina n  aceite de lavanda (perfume) n  colorante

Al añadir la trietanolamina a la mezcla de aguarrás se forma una emulsión. ¿Qué es una emulsión? Utilicen el papel indicador (pH) para determinar si la trietanolamina tiene un carácter ácido, básico o neutro.

Figura 3.20 Vasos del experimento: 1. Con cera de abeja, parafina y ácido esteárico. 2. Con agua, aguarrás, trietanolamina

Procedimiento 1. Mezclen en uno de los vasos las siguientes sustancias: 4 g de cera de abeja, 4 g de parafina y 2.6 g de ácido esteárico; después calienten hasta 75 °C. Tengan mucho cuidado con el fuego. 2. En el otro vaso mezclen 24 mL de agua, 11.2 mL de aguarrás y 1 mL de trietanolamina; después, calienten también hasta 75 °C.

Al colocar primero el agua y luego el aguarrás, ¿qué observan?



¿Qué ocurre al añadir la trietanolamina?

132

Mezclen en un tubo de ensayo un poco de trietanolamina y de aceite de cocina, luego agiten la mezcla. ¿Qué observan?

¿Se ha formado jabón? ¿Por qué?

Conclusiones:

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Nomenclatura de alcanos normales Los alcanos normales son compuestos que tienen sus átomos de carbono unidos entre sí con enlaces sencillos y las valencias se saturan con áto­ mos de hidrógeno. Los primeros cuatro miembros de la serie llevan nombres comunes, pero a partir del hidrocarburo de cinco átomos de carbo­ no, se nombran de acuerdo con las reglas establecidas por la iupac (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada), es decir, el nombre se forma con la raíz del numeral griego o latino que indica el número de carbonos presentes en la molécula y se agrega la terminación ano.

Alcanos normales Número de carbonos

Nombre

Estructura

p.f. °C

p.e. °C

Densidad (a 20 °C)

1

Metano

CH4

2183

2162

0.42

2

Etano

CH32CH3

2172

289

0.55

3

Propano

CH32CH22CH3

2187

242

0.58

4

n-Butano

CH32(CH2)22CH3

2135

20.5

0.58

5

n-Pentano

CH32(CH2)32CH3

2130

36

0.63

6

n-Hexano

CH32(CH2)42CH3

294

69

0.66

7

n-Heptano

CH32(CH2)52CH3

290

98

0.68

8

n-Octano

CH32(CH2)62CH3

257

126

0.70

9

n-Nonano

CH32(CH2)72CH3

254

151

0.72

10

n-Decano

CH32(CH2)82CH3

230

174

0.73

15

n-Pentadecano

CH32(CH2)132CH3

10

268

0.77

16

n-Hexadecano

CH32(CH2)142CH3

18

280

0.775

17

n-Heptadecano

CH32(CH2)152CH3

22

303

0.777

18

n-Octadecano

CH32(CH2)162CH3

28

308

0.777

A partir de los compuestos con cuatro átomos de carbono los nombres de los hidrocarburos de cadena lineal se llaman normales y al escribir su nombre se antepone la letra n, por lo que se presenta para estos compuestos el fenómeno de la isomería que, como sabemos, en el caso de los alcanos recibe el nombre de isomería de cadena o estructural. y

CH3 — CH — CH3 —

CH3 — CH2 — CH2 — CH3

CH3 isobutano

nbutano

npentano

CH3 isopentano

CH3 — C — CH3 —

CH3 — CH — CH2 — CH3 —

CH3 — CH2 — CH2 — CH2 — CH3

—

CH3

CH3 terpentano

Por lo general, todo alcano tiene cierto número de estructuras isómeras y un nombre inequívoco para cada una de ellas. 133

Compuestos del carbono y macromoléculas

Nomenclatura de alcanos arborescentes

3. Se nombra cada una de las arborescencias o sustituyentes, in­ dicando con un número la posición que ocupa en la cadena principal.

Para nombrar los alcanos arborescentes, se utiliza el sistema iupac, cuyas reglas son las siguientes:

4. Si en una estructura se encuentra repetido el mismo radical o sustituyente, se utilizan los prefijos: di, tri, tetra, penta, hexa, etcétera, unidos al nombre del sustituyente. Ejemplos: dimetil (dos metilos), triisopropil (tres isopropilos), etc.

1. Se selecciona la cadena más larga posible de átomos de carbo­ no, la cual dará origen al nombre del compuesto y determina­ rá la estructura principal.

5. Se nombran los radicales por orden alfabético o por su com­ plejidad.

2. Se numera la cadena principal, empezando por el extremo que tenga la arborescencia o ramificación más próxima. En el caso de que haya dos arborescencias a la misma distancia, se escoge la que tenga mayor número de carbonos. Si hay dos arborescencias en un extremo y otra a la misma distancia, se escoge el extremo que tenga las dos arborescencias.

3

1

2

3

1

CHCH CH3 — CH — 3 3

—

—

5

2

3

4

5

—

— 3CH2 — 4CH2 — 5CH — CH3 ——

—

2metil propano CH3

——

—

—

3CH — 4CH — 5CH — CH — 2C —CH 3 2 2 3 6 CH — CH3 CH3 7 6 CHCH CH — 3 3 2,5,6tetrametil heptano 7 CH3 2,5,6tetrametil heptano

—

1CH 3

4

CH2 CH3 3etil pentano CH3 3etil pentano

CH3 2metil propano

1CH — 2C 3CH3

3

CH CH3 — CH2 — CH — CH 2 2 — CH3

—

Ejemplos:

2

CH3 — CH2 — CH — CH2 — CH3 —

1

2

—

1

CH3 — CH — CH3 —

Ejemplos:

6. Se nombra el compuesto con una sola palabra, separando los nombres de los números con guiones y los números entre sí con comas. Se agregan los nombres de los sustituyentes al nombre básico.

—

3

CH2 — CH3

——

——

CH3

—

—

—

— — —— —

— ——

CH3 CH2 — CH3 Cl — 2CH — 3CH — 4CH — 5C — 6CH2 — 7CH — 8CH2 — 9CH2 — 10CH — 11CH2 — 12CH3

CH3

CH3

— —

—

—

—

CHCH CH — 2 3

Cl

CH2 CH3

—

—

CHCH CH2 CHCH — 3 3 3 —

1CH 3

— —

—

6CH CH3CH CH52C —CH — CH73 — CH8CH —2CH Cl11CH2 — 12CH3 Cl — 2CH 1— — 4CH — —39CH2 — 10CH — 3 2 — CH

CH3 7secbutil dodecano 2,10dicloro3metil4,5dietil5isopropil 2,10dicloro3metil4,5dietil5isopropil7secbutil dodecano

134

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Cicloalcanos Son compuestos de cadena cerrada, que poseen enlaces simples entre cada átomo de carbono; también se llaman alicíclicos (compuestos alifáticos cíclicos). Su fórmula general es CnH2n; para nombrarlos se coloca el prefijo ciclo al nombre del alcano de cadena abierta correspon­ diente, de igual número de carbonos que el anillo tales como:

Ciclopropano

—

H2C

CH2

CH2

—

——

CH2

—

H2C

CH2 —

—

—

CH2

——

——

—

CH2

H2C

—

CH2

H2C

Ciclobutano

CH2

——

Ciclopentano

CH2

—

CH

—

—

4

5 CH2

—

CH3– HC 3

H2C

4

3 2

CH2

5

—

6 CH2

—

H2C 2

Br — HC —

—

1

—

CH

—

—

CH3

—

Obsérvese que en el ciclo los átomos de carbono están unidos. Cuando se presentan arborescencias en el anillo (por ejemplo, grupos alquilo, halógenos, etcétera), se asigna la posición 1 a un carbono en particular y luego se numera alrededor del anillo, hacia el sustituyente más próxi­ mo, de tal modo que resulte la combinación de números más baja; por ejemplo:

——

1

CH — Cl

1–Cloro–3–Bromociclopentano

CH3

1,3,4–Trimetilciclohexano



  Actividad formativa

I. Escribe las fórmulas estructurales condensadas de los siguientes compuestos: 1. 2,2,4,4-tetrametilhexano 2. 3-etil-2,2-dimetilpentano 3. 4-isopropilheptano 4. 4-etil-3-metil-4-propiloctano 5. 4-etil-2,3-dimetilhexano II. Escribe los isómeros posibles para: 1.  Pentano (C5H12) 2.  Penteno (C5H10)

135

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

Por conveniencia, a menudo los ciclo alcanos se representan por medio de figuras geométricas simples, de acuerdo con el número de carbonos presentes en la estructura; un triángulo para el ciclo­ propano, un cuadrado para el ciclobutano, un pentágono para el ciclo pentano, un hexágono para el ciclohexágono, etcétera; se su­ pone que en cada vértice de la figura hay dos hidrógenos, a menos que esté adicionado un sustituyente o arborescencia; por ejemplo:

Cicloalcanos Núm. de carbonos

Nombre del anillo

p.f. °C

p.e. °C

3

Ciclopropano

2127

233

4

Ciclobutano

280

13

Densidad (a 20 °C)

n Ciclopropano

n Ciclohexano

5

Ciclopentano

294

49

0.746

n Ciclobutano

n

6

Ciclohexano

6.5

81

0.778

n Ciclopentano

n 1-Cloro-3-Bromociclopentano

7

Cicloheptano

212

118

0.810

8

Ciclooctano

14

149

0.830

5

Metilciclopentano

2142

72

0.749

5

Cis-1,2Dimetilciclopentano

262

99

0.772

5

Trans-1,2Dimetilciclopentano

2120

92

0.750

6

Metilciclohexano

2126

100

0.769

1, 3, 4-Trimetilciclohexano

También se pueden presentar compuestos policíclicos, los cuales contienen dos o más anillos y comparten dos o más átomos de car­ bono. El sistema policíclico alifático máximo es el diamante, ya que de ninguna manera es un hidrocarburo, sino una de las formas alo­ trópicas del carbono elemental. En el diamante, cada átomo de car­ bono está unido a otros cuatro por medio de enlaces tetraédricos y cuyas longitudes son las usuales para enlaces simples, o sea, 1.54 Ao.

Lectura

Descubrimiento de los fullerenos Los fullerenos es una familia de moléculas descubierta de manera accidental en 1985 por los investigadores Harold W. Kroto, de la Universidad de Sussex en Inglaterra, y Richard E. Smalley y Robert F. Curl, de la Universidad de Rice en Houston, EUA, mientras realizaban trabajos en astrofísica en busca de moléculas de carbono desconocidas. Por ello, dichos investigadores recibieron el Premio Nobel de Química en 1996.

Figura 3.21 Molécula del ciclobutano.



  Actividad formativa

Escribe la fórmula o estructura de los siguientes compuestos: 1. Ciclopentano 2. 2,3,3-trimetilpentano 3. Isopropilciclopentano 4. Etilciclobutano 5. Metilciclopentano

136

Figura 3.22 La forma alotrópica del carbono 60 es semejante a la de un balón de futbol.

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De apariencia espectacular los fullerenos son moléculas de carbono de estructura tridimensional cerrada, con diferentes números de átomos que van desde 28 hasta centenas e incluso millares. El más excepcional de ellos es el carbono 60 (C60), pues tiene una extraordinaria estabilidad y una estructura perfectamente ordenada debido a sus 60 átomos de carbono, que le dan una forma esférica, muy parecida a la de un balón de futbol microscópico (por eso, también algunos los llaman futbolenos), con 12 pentágonos y 20 hexágonos unidos, en cuyos vértices se sitúa cada átomo. Además, hay otros tipos de fullerenos, el carbono 70 (C70), que tiene la forma parecida a la de un balón de rugby, los carbonos C28, C32, C44, C45, C50, C56, C240, C540, C960 y los tubulenos o nanotubos, entre otros.

Unan las bolitas negras y las bolitas rojas, según el compuesto a formar. 5. Comparen los compuestos orgánicos que formaron con los de sus compañeros de clase. Conclusiones:

Esta nueva familia de moléculas recibe su nombre en honor del arquitecto estadounidense R. Buckminster Fuller, quien construyó domos geodésicos de estructura similar a los fullerenos o futbolenos. Estas moléculas pueden ser el origen de una nueva gama de materiales y compuestos orgánicos, cuyas aplicaciones tendrían un impacto similar al que tuvo en el siglo pasado el benceno (C6H6), base de materiales indispensables en la vida de la sociedad actual.



Actividad experimental

Sigan las instrucciones de su profesor; reúnanse en equipos de cuatro o cinco alumnos y realicen la siguiente actividad. Contesten las preguntas que aparecen al final y con sus conclusiones elaboren un informe escrito y expóngalo frente al grupo.

Modelos atómicos

Figura 3.23 Molécula del etano.

Propósito Elaborar diferentes moléculas de alcanos. Material n 1

caja de palillos

n agua

n 1

pan de caja o migajón

n pintura

n pegamento

roja y negra

850

Procedimiento 1. Mezclen un poco de agua con pan y formen bolitas del mismo tamaño (aproximadamente de 1 cm de diámetro), agreguen un poco de pegamento para suavizar las esferas. Hagan unas 20 bolitas. 2. Pinten unas cuantas de color negro para representar átomos de carbono y la mayoría de color rojo para representar átomos de hi­ drógeno. 3. Déjenlas que sequen perfectamente. 4. Armen sus diferentes estructuras de compuestos orgánicos.

Figura 3.24 Estructura molecular del 2-buteno.

137

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

Figura 3.26 Algunos productos elaborados a partir de los alquenos.

Figura 3.25 Estructura molecular del propeno o propileno.

Alquenos Los alquenos son hidrocarburos no saturados que tienen menos hidrógeno que el máximo posible. La insaturación puede satisfacerse mediante otros reactivos diferentes del hidrógeno dando origen a sus propiedades químicas caracte­ rísticas. Los alquenos u olefinas tienen como fórmula general: CnH2n, el doble enlace carbono-carbono es lo que caracteriza es­ tos compuestos. Los alquenos son otra serie homóloga de los hidrocarburos. Los nombres de estos compuestos termi­ nan en eno. Los primeros cuatro miembros de los alquenos lineales son los siguientes: Eteno

C2H4

H2C 5 CH2

Propeno C3H6 CH3 2 CH 5 CH2 Buteno C4H8 CH3 2 CH 5 CH 2 CH3 o

H2C 5CH 2 CH2 2 CH3

Penteno C5H10

CH3 2 CH 5 CH 2 CH2 2 CH3 o



CH2 5 CH 2 CH2 2 CH2 2 CH3

Al igual que los alcanos, en los alquenos se dan tendencias generales en sus propiedades físicas y químicas a medida que su masa molecular aumenta. En condiciones ordinarias son gaseosos hasta C4, líquidos de C3 a C18, y sólidos los térmi­ nos superiores. Son insolubles en agua, pero solubles en gran número de disolventes orgánicos.

Propiedades de alquenos

138

Punto de fusión, °C

Punto de ebullición, °C

Densidad a 20 °C

Nombre

Estructura

Eteno

CH2 5 CH2

2169

2103

0.61

Propeno

CH3 2 CH 5 CH2

2185

248

0.61

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Propiedades de alquenos Punto de fusión, °C

Punto de ebullición, °C

Densidad a 20 °C

Nombre

Estructura

Buteno-1

CH3 2 CH2 2 CH 5 CH2

2130

26

0.625

Cis-buteno-2

CH3 2 CH 5 CH 2 CH3

2139

24

0.626

Isobuteno

(CH3)2 2 CH 5 CH2

2141

27

0.627

Penteno-1

CH3 2 (CH2)2 2 CH 5 CH2

2138

30

0.643

Hexeno-1

CH3 2 (CH2)3 2 CH 5 CH2

2119

63.5

0.675

Hepteno-1

CH3 2 (CH2)4 2 CH 5 CH2

18

93

0.697

Octeno--1

CH3 2 (CH2)5 2 CH 5 CH2

122

0.720

Octadeceno-1

CH3 2 (CH2)15 2 CH 5 CH2

179

0.79

Al introducir los enlaces dobles se obtiene un nuevo tipo de isómeros llamados de posición. Por ejemplo, al observar el buteno, la doble ligadura cambia de posición, así que se obtienen dos isómeros: 1 2 3 4 CH3 — CH — CH — CH3

1 2 3 4 H2C — CH — CH2 — CH3

2-buteno

1-buteno

Para nombrar a los alquenos arborescentes se aplican las mismas reglas que para los alcanos, con las siguientes observa­ ciones adicionales: la cadena principal siempre contendrá la(s) doble(s) ligadura(s), indicando la posición de ella(s) dentro de la cadena principal (la de mayor número de átomos de carbono que contenga los dobles enlaces). Cuando en un alqueno se presenta una arborescencia y una doble ligadura a la misma distancia de los extremos, tiene preferencia la doble ligadura. En la nomenclatura las funciones químicas siempre tienen preferencia sobre los radicales alquilo. Cuando existen dos o tres dobles ligaduras en la cadena principal, se cambia la terminación eno por dieno o trieno, respectivamente, y se indica con números la posición de esas dobles ligaduras. Ejemplos: 1 2 3 4 H2C — CH — CH — CH2

1 2 3 4 H2C — C — CH — CH3

1,3-butadieno

1,2-butadieno

2C

2,3–diyodo cis–2–buteno

1 CH3

3 C

—

I

—

4 CH3

—

3 C

I

—

I

—

—

—

2 C

4 CH3

—

—

1 CH3

—

Los enlaces dobles pueden originar la isomería geométrica o cis-trans.

I

2,3–diyodo–trans–2–buteno

139

3

Compuestos de carbono y macromoléculas Es isómero cis cuando los dos radicales o arborescencias se encuentran del mismo lado (arriba o abajo) respecto de la liga­ dura y es isómero trans cuando las arborescencias se hallan en lados opuestos (una arriba y otra abajo), respecto al doble enlace. También se pueden encontrar enlaces dobles en los compuestos cíclicos.

1 2 3 Ciclohexeno



Ciclopenteno

4 1,4-ciclohexadieno

Ciclopropeno

  Actividad formativa

Subraya la respuesta correcta: 1. ¿Cuál de las siguientes fórmulas condensadas corresponde a un alqueno? a) C6H6    b) C6H8    c) C6H10    d) C6H12    e) C6H14 2. El compuesto 2-buteno:

CH3 C H



CH3

H

C

CH3 C

H

C

CH3

H

Presenta isomería: a) De cadena     b) De serie     c) Óptica     d) Geométrica

Ejemplos de alquenos arborescentes:

CH3 2–metil–1–buteno

—

1 2 3 4 CH2  C — CH2 — CH3 CH2

—

—

4 3 2 1 CH3 — CH2 — C  CH2

CH3 2–etil–1–buteno

—

5 6 CH  CH2

2 1 CH  CH2

3 4 CH3 — CH2 — CH2 — CH — CH — CH2 — CH2 — CH3 —

6 5 4 3 CH3 — CH2 — CH2 — CH — CH2 — CH2— CH3 —

140

2 1 CH  CH2

—

1 2 3 4 CH2  C — CH2 — CH3

—

4 3 2 1 CH3 — CH2 — C  CH2

CH2

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—

CH3

CH3 2–etil–1–buteno

2–metil–1–buteno

—

5 6 CH  CH2

2 1 CH  CH2 3–propil–1–hexeno

2 1 CH  CH2 3,4–dipropil–trans–1,5–hexadieno

2

CH CH3 1 CH2 5–metil–3–etil–hexeno–1

2,7–dimetil–2,4,6–octatrieno



—

CH3

—

—

CH3

3 4 5 6 CH3 — CH2 — CH — CH2 — CH — CH3 — —

—

1 2 3 4 5 6 7 8 CH3 — C  CH — CH  CH — CH  C — CH3

—

3 4 CH3 — CH2 — CH2 — CH — CH — CH2 — CH2 — CH3

—

6 5 4 3 CH3 — CH2 — CH2 — CH — CH2 — CH2— CH3

  Actividad formativa

Escribe la estructura y/o fórmula de los siguientes compuestos: 1. 4-octeno 2. 6,7-dimetil-3-ciclobutil-4-noneno 3. Trans-2-penteno 4. 2-hexeno 5. ¿Cuál es el nombre del siguiente compuesto?

—

CH3

CH3

—

CH3—C—CH3 —

—

—C—CH2—CH2—CH2—CH2—CH—CH2—CH2—CH3 CH3—C —

CH3

Alquinos Estos hidrocarburos tienen como fórmula general CnH2n22. Como en el caso de los alquenos, la isomería de estos hidrocarburos se debe a la estructura de la cadena y a la posición del triple enlace. Su nomenclatura es similar a la de los alquenos, pero se cambia la terminación eno del alqueno, por ino en el alquino. A veces se denominan como derivados del acetileno o etino, que es el más simple de estos hidrocarburos.

141

3

Compuestos de carbono y macromoléculas Ejemplo

HC  CH

5 4 3 2 1 CH3 — CH2 — C  C — CH3

5 4 3 2 1 CH3 — CH2 — CH — C  CH CH3

Etino o acetileno

2-Pentino o metil etilacetileno

3-metil-1-pentino o sec-butilacetileno

HC  C — CH3

HC  C — CH2 — CH3

H3C — C  C — CH3

Propino o metil acetileno

1- butino o etilacetileno

2-butino

CH3

——

——

C H3

6 5 4 3 2 1 CH3 — C — CH2 — C  C — CH3

——

——

1 2 3 4 5 6 CH3 — CH — C  C — CH — CH3 CH3

CH3

Trans-2,5 dimetilhexino-3

5,5-dimetilhexino-2

1 CH

—— ——

2

C

——

——

CH3

—

CH — CH3

——

H3C

——

——

9 8 7 6 5 4 3 CH3 — CH2 — C — CH — CH2 — CH2 — CH — CH — CH2 — CH3 CH3

CH3 7,7-dimetil-6-isopropil-3-sec-butilnonino-1

En los ejemplos anteriores el 1-butino y el 2-butino son isómeros de posición, ya que lo único que cambia es la ubicación de la triple ligadura.

Aromáticos Los hidrocarburos aromáticos más importantes se derivan del benceno y su fórmula ge­ neral es: CnH2n-6. Algunos ejemplos son: Benceno C6H6 Etilbenceno C8H10 Figura 3.27 El etino, combinado con el oxígeno, se utiliza para soldar.

142

Metilbenceno

C7H8

Propilbenceno C9H12

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Figura 3.30 El benceno es uno de los compuestos más importantes en la química orgánica; base de insecticidas, colorantes, cosméticos, perfumes, etc.: a) Fórmulas desarrolladas del benceno, según Kekulé, b) Es la representación simplificada o actual del benceno. Los vértices del ciclo representan los átomos de carbono (seis en este caso), el círculo simboliza a los tres dobles enlaces que están dentro del ciclo, alternándose con los tres enlaces simples. Figura 3.28 Molécula del etino o acetileno.

Figura 3.29 Friedrich Kekulé (1829-1896), químico alemán creador del concepto de la estructura del benceno que lleva su nombre.

 l benceno es una hemotoxina, es E decir, la que daña la médula de los huesos e inhibe la formación de las células sanguíneas como en la leucemia. Las fórmulas estructura­ les condensan las del benceno y las de bencenos sustituidos muestran un hexágono para los seis átomos de carbono, siempre y cuando re­ emplace los átomos de hidrógeno. Las fórmulas desarrolladas son las siguientes:

C

CH

CH CH

CH

CH

CH CH

CH

CH

Benceno

Bencenos monosustituidos Se nombran cambiando el nombre del radical que se adiciona y se agrega al final la palabra benceno. Ejemplos

Metilbenceno o Tolueno

CH3 CH

Para facilitar la asignación de nombres a los hidrocarburos bencé­ nicos, se dividen en tres clases: monosustituidos, disustituidos y polisustituidos.

Aminobenceno o Anilina

Hidroxibenceno o Fenol

CH

Tolueno

(fórmulas de Kekulé)

Clorobenceno

Etilbenceno

CH3

Benceno

Tolueno

(fórmulas modernas)

Ácido bencencarboxílico o Ácido benzoico 143

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

Como puede observarse algunos compuestos tienen dos nombres, esto se debe a que muchas veces se conoce más el nombre comercial que el sistemático; por ejemplo, se maneja más el nombre de tolueno que el de metilbenceno.

  Actividad formativa

Escribe el nombre o la fórmula de los siguientes compuestos aromáticos: I

a)

NO2

Br I



b)

CH3CHCH3

d)

SO33H CH3CHCH NH2



Br I

NO2

NO2



c)

CH CHCH SO H 3 NH2 3 3

e)

Br

NH2



SO3H

f)



Bencenos disustituidos A este grupo pertenecen los sustituyentes bencénicos, cuya posición que ocupa en el anillo se indica con un número, tomando en cuenta la distancia más corta entre los sustituyentes. Ejemplos:

Orto (o) (posición 1-2)

Meta (m) (posición 1-3)

Para (p) (posición 1-4)

Bencenos polisustituidos

CH3

Para los bencenos trisustituidos o de mayor grado de sustitución, se debe emplear el sistema de numeración. Este método se ilustra con los siguientes ejemplos:

o-metilfenol 2-metilhidroxibenceno

m-metilfenol 3-metilhidroxibenceno

p-clorofenol 4-clorohidroxibenceno

CH3—CH—CH3

CH3

CH3—CH2

Cl

CH2—CH3

CH2—CH3

1,2dimetil4 etilbenceno

OH

I Br

1isopropil3,5 dietilbenceno

1Hidroxi2cloro4 bromo5yodobenceno

Actividad formativa con TIC

Utilizando Internet completa el siguiente cuadro:

Tipos de petróleo que se extraen en México Tipo

Nombre comercial

Estado de la República Mexicana en donde se extrae

¿Cuántos productos se obtienen principalmente en una destilación del petróleo? Menciona cuando menos diez:  Envía tu respuesta por correo electrónico a tu profesor. 144

Costo del barril

Grupo Editorial Patria ® A este grupo también pertenecen los hidrocarburos bencenoides de anillos fusionados, los cuales están constituidos por dos o más anillos que comparten dos átomos. Por ejemplo:

Si hervimos agua con una planta aromática, en el vapor que desprende se encuentra una cantidad muy pequeña de aceite esencial, pero si la ebullición dura mucho tiempo, poco a poco arrastra toda la esencia. Si enfriamos el vapor de la ebullición (destilación) obtendremos una mezcla de agua y una pequeña cantidad de aceite esencial que, como es insoluble, se puede separar.

Naftaleno, C10H8

Antraceno, C14H10

Así, por ejemplo, se obtienen en la industria las esencias de lavanda y de romero, las cuales al mezclarse con alcohol sirven para hacer agua de colonia y perfumes. Asimismo, la esencia de eucalipto se utiliza en el ramo farmacéutico (pastillas para la garganta, inhalables). Ahora obtén un aceite esencial. Material

Fenantreno, C14H10

En este grupo se encuentran el alquitrán de hulla y el hollín, que son muy estables, y cuando el número de anillos fusionados resulta muy grande y en dos direcciones, se obtiene una estructura de tipo grafito.

  Actividad formativa

Escribe las fórmulas estructurales de los siguientes hidrocarburos aromáticos.

n 1

mortero con pistilo

n  2

aros

n 2

matraces de 250 mL

n  2

rejillas

n 1

refrigerante

n  5

nueces

n 1

tubo de seguridad

n  1

recipiente para el destilado

n 2

tapones bihoradados

n  gomas

n 3

soportes

n  tubos

de vidrio acodados

n 3

pinzas

n  papel

filtro

para conexiones

n  hojas

y flores de una planta aromática como tomillo, espliego, etc., o pétalos de rosas, clavel u otras.

1. Cumeno 2. Para-propiltolueno 3. Orto-xileno 4. Meta-xileno 5. Naftaleno 6. Fenantreno Figura 3.31 Etapas del experimento.

7. Antraceno



Actividad experimental

Sigue las instrucciones de tu profesor; reúnanse en equipos de cuatro o cinco alumnos y realicen la siguiente actividad. Contesten las preguntas que aparecen al final. Con sus conclusiones elaboren un informe escrito de la actividad y expónganlo frente al grupo.

Obtención de un aceite esencial El olor de las flores y las plantas aromáticas se debe a que contienen pequeñas cantidades de unas sustancias llamadas aceites esenciales o esencias, que son líquidos insolubles en agua; aunque comunican a ésta su olor y su sabor son menos volátiles que ella (hierven alrededor de los 200 ºC). Los aceites esenciales se encuentran en forma de pequeñísimas gotas.

Procedimiento 1. Monta el dispositivo mostrado en la figura 3.31. 2. Corta y tritura en el mortero hojas o flores encogidas con un poco de agua. 3. Llena el matraz A con esta mezcla y unos 150 mL de agua. 4. En el matraz B coloca 250 mL de agua. 5. Enciende el fuego bajo los dos matraces, pero cuando el matraz A hierva retíralo del fuego y deja encendido el B. Ten cuidado con el fuego. 6. El líquido destilará sobre un embudo que contiene un filtro cónico mojado con agua. De esta forma pasará por el filtro, mientras que las gotitas de aceite esencial quedarán retenidas en éste.

145

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

7. Con el mismo papel de filtro vierte en un tubo de ensayo la esencia obtenida. ¿Para qué sirve el matraz B?

Procedimiento 1. Mezcla en el mortero la esencia de rosas y los carbonatos de calcio y magnesio. 2. Dilúyelo todo en un poco de agua destilada. 3. Ponlo en la botellas de litro aprovechando bien todo el residuo.

¿De dónde se sacan los perfumes?

4. Acaba de llenar la botella y agrégale agua destilada. 5. Agítalo enérgicamente.

Conclusiones:

6. Déjalo reposar después durante unos días. Fíltralo. ¿Por qué crees que las esencias y las aguas aromáticas se envasan en recipientes de vidrio opaco y se mantienen en un lugar fresco y poco accesible a la luz?

Actividad experimental

Sigue las instrucciones de tu profesor; reúnanse en equipos de cuatro a cinco alumnos y realicen la siguiente actividad. Contesten las preguntas que aparecen al final y con sus conclusiones elaboren un informe escrito y expónganlo frente al grupo.

¿Para qué usamos los carbonatos de calcio y magnesio?

Conclusiones:

Obtención de agua de rosas Las aguas aromáticas no son perfumes propiamente dichos, más bien son líquidos de olor agradable que sirven de base para elaborar otros perfumes, en particular las aguas de colonia, las cuales suavizan la acción del calor y al mismo tiempo dan una agradable sensación de frescura.

Lectura

El descubrimiento del primer plástico sintético (el celuloide) El inventor estadounidense John Wesley Hyatt (1837-1920), en un intento de ganar la recompensa ofrecida a quien encontrara un sustituto del marfil para las bolas de billar, empezó a trabajar en la piroxilina. La disolvió en una mezcla de alcohol y éter, y añadió alcanfor para hacerla más segura y maleable. En 1869 obtuvo lo que llamó celuloide y ganó el premio. El celuloide fue el primer plástico sintético (es decir, un material que puede moldearse).

Figura 3.32 Esencias y aguas aromáticas.

Material n 1

mortero

n botellas

n 1

embudo

n papel

n  20

de 1 litro

de filtro

gotas de esencia de rosas (la puedes comprar en una far­macia)

n 2. 5

g de carbonato de calcio en polvo

n 5

g de carbonato de magnesio en polvo

n 1

litro de agua destilada

146

Además, como la piroxilina podía moldearse en esferas, también podía extrusionarse en fibras y películas. El químico francés Louis Marie Hilaire Bernigaud, conde de Chardonnet (1839-1924), obtuvo fibras forjando soluciones de piroxilina a través de pequeños agujeros. El disolventes evaporó casi al instante, dejando un hilo tras de sí. Estos hilos podían tejerse, dando un material que tenía la suavidad de la seda. En 1884 Chardonnet patentó el rayón (llamada así porque era tan brillante que parecía despedir rayos de luz).

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Actividad experimental

Sigue las instrucciones de tu profesor; reúnanse en equipos de cuatro a cinco alumnos y realicen la siguiente actividad. Contesten las preguntas que aparecen al final y con sus conclusiones elaboren un informe escrito y expónganlo frente al grupo.

Diferencias entre compuestos orgánicos e inorgánicos Consideraciones teóricas Antes se creía que los compuestos orgánicos sólo se podían obtener a partir de la materia orgánica; sin embargo, a partir de la síntesis de la urea, se abrieron las posibilidades de producción sintética de numerosas sustancias orgánicas; en la actualidad se conocen cerca de 10 millones de compuestos orgánicos y unos 800 000 inorgánicos. El constituyente principal es el carbono. Existen diferencias básicas entre los compuestos orgánicos y los inorgánicos, tales como solubilidad, combustión, conductividad eléctrica y tipo de enlace químico. Para identificar un compuesto orgánico, se determinan primero los elementos constitutivos y su peso molecular. Luego se identifican las constantes físicas más importantes, tales como: el punto de fusión y de ebullición, la solubilidad, la coloración de la flama y otras más.

Procedimiento 1. Coloca 1 g de parafina en una de las cápsulas y en la otra 1 g de cloruro de sodio; apoyándose en los soportes, calienta de manera simultánea y observa lo que ocurre. Ten cuidado con el fuego. 2. En un tubo de ensayo coloca 0.5 g de ácido benzoico y en el otro 0.5 g de cloruro de sodio; agrega a cada uno de ellos 5 mL de agua; agita con fuerza y observa lo que ocurre. Repite los pasos anteriores, pero ahora utiliza alcohol etílico o etanol. 3. En uno de los vasos coloca 20 mL de la disolución de azúcar y en el otro 20 mL de la disolución de sal; conecta el circuito e introduce en cada vaso los electrodos o alambres de cobre; observa lo que ocurre y regístralo. Contesta las siguientes preguntas: ¿Qué le ocurrió a la parafina al iniciar el calentamiento? ¿Qué le ocurrió al cloruro de sodio en el mismo tiempo? ¿A qué se atribuye este fenómeno?

Propósito Identificar de manera experimental las diferencias entre los compuestos orgánicos e inorgánicos mediante pruebas cuantitativas.

¿Qué le ocurre al ácido benzoico al entrar en contacto con el agua?

Material

¿Qué le ocurrió al cloruro de sodio al entrar en contacto con el agua?

n 2

soportes universales ¿Qué le ocurrió al ácido benzoico con el etanol?

n  2 anillos

de fierro con tela de asbesto

n 2

mecheros

n 2

cápsulas de porcelana

¿Qué le ocurrió al cloruro de sodio con el etanol?

n  4 tubos

de ensayo de 15 3 150 mm eléctrico con un foquito y cables conductores

¿Qué ocurre cuando los electrodos se sumergen en la disolución de azúcar?

n  1 circuito n  2 vasos

de precipitados de 100 mL

n 1

Figura 3.33 Azúcar sólida.

¿Qué ocurre cuando los electrodos se sumergen en la disolución de cloruro de sodio?

g de parafina sólida

n 1.5

g de cloruro de sodio (NaCl)

n 0.5

g de ácido benzoico (C6H5COOH)

n 5

mL de etanol (C2H5OH)

n 5

mL de agua (H2O)

n 20

mL de disolución de azúcar a 1%

n 20

mL de disolución de sal (NaCl) a 1%

Conclusiones:

147

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

  Actividad formativa

Completa el siguiente mapa conceptual: Hidrocarburo

Alifáticos

Alcanos

Alquinos

Ejemplos

Ejemplos

3.6 Propiedades físicas de hidrocarburos

3.7 Propiedades químicas de hidrocarburos

Como recordarás en cursos anteriores de química las sustancias se presentan en la naturaleza en tres estados físicos: sólido, líquido y gaseoso aunque sabemos que en la actualidad son seis los estados físicos (plasma, condensada Bose-Einstein y condensado fermió­ nico, agregados a los tres anteriores).

Se refieren a las transformaciones de una sustancia al reaccionar con otra y que productos se obtienen; lo cual genera la gran indus­ tria petrolera, porque no es lo mismo hablar de petróleo crudo que refinado.

Estado físico

Combustión

Es de vital importanciaidentificar las propiedades físicas de los hi­ drocarburos, con respecto al estado físico y a la solubilidad; notan­ do por ejemplo que los alcanos pueden ser gases, líquidos y sólidos; los alquenos líquidos y los alquinos gases, así como los aromáticos líquidos.

Es una propiedad de los compuestos orgánicos que nos indica lo que se obtiene al someterlos a reacciones como el cracking pirolítico y no solamente la obtención del dióxido de carbono y agua; con las conse­ cuencias de contaminación del medio ambiente. Es decir, en química orgánica mediante una serie de mecanismos de reacción logramos obtener cada día nuevos y mejores materiales para la sociedad actual.

Solubilidad

A continuación se desarrolla la combustión de los hidrocarburos señalados: alcanos, alquenos, alquinos y aromáticos.

Se refiere al medio o sustancia en que se pueden disolver mejor; por ejemplo en agua, en aceite, en gas y su velocidad de disolución para obtener muchos más compuestos químicos orgánicos.

Alcanos

A continuación desarrollamos más detalladamente cada uno de los hidrocarburos: alcanos, alquenos, alquinos y aromáticos; indican­ do más especificamente sus propiedades físicas y la solubilidad. 148

Propiedades físicas Estado físico: los alcanos son inodoros. El metano, el etano, el pro­ pano y los butanos son gaseosos en las condiciones normales. A

Grupo Editorial Patria ® partir del C5 (pentanos) hasta C14 (tetradecanos), los alcanos son líquidos y a partir del C15 (pentadecanos) son sólidos. Desde el C20 se descomponen antes de hervir a la presión atmosférica y para evitarlo deben destilarse a presión reducida. Las propiedades físicas dependen principalmente de la polaridad de las moléculas. Las moléculas de los alcanos son no polares o muy débilmente polares. Todos los enlaces de un alcano son covalentes; éstos unen a dos átomos de la misma clase, uniones C––C, que originan enlaces no polares, o unen a átomos que difieren muy poco en electronegatividad, uniones C––H, que forman enlaces polares débiles. Estos enlaces están orientados de forma muy simétrica, de tal manera que la pequeña polaridad tiende a anularse, lo que da como resultado una molécula no polar o muy débilmente polar. Las fuerzas que mantienen unidas a las moléculas no polares son muy débiles y de corto alcance, actúan sólo entre las porciones de las moléculas que están en contacto directo, esto es, entre las superficies de las moléculas. Al aumentar el tamaño de la molécula, se incrementa su área superficial y también las fuerzas intermoleculares. Esto explica que los puntos de fusión y de ebullición aumenten al incrementarse el número de átomos de carbono, como se puede observar en el siguiente cuadro:

Propiedades físicas de los alcanos Fórmula condensada

Punto de fusión °C

Punto de ebullición °C

Densidad g/cm3 (líquido)

Metano

CH4

–183

– 162

0.42

Etano

C2H6

–172

–88.5

0.55

Propano

C3H8

–187

– 42

0.58

n-Butano

C4H10

–138

–0

0.58

n-Pentano

C5H12

–130

36

0.63

n-Hexano

C6H14

–95

69

0.66

n-Heptano

C7H16

–90.5

98

0.68

n-Octano

C8H18

–57

126

0.70

n-Nonano

C9H20

–54

151

0.72

n-Decano

C10H22

–30

174

0.73

n-Pentadecano

C15H32

10

266

0.77

n-Hexadecano

C16H34

18

280

0.775

n-Heptadecano

C17H36

22

292

0.777

n-Octadecano

C18H38

28

308

0.777

Nombre

Solubilidad Al considerar que los disolventes no polares descomponen a las sustancias no polares, los alcanos son solubles en disol­ ventes no polares como benceno, éter, cloroformo e insolubles en agua y disolventes polares. Los alcanos son menos densos que el agua, al igual que la mayor parte de los compuestos orgánicos.

Propiedades químicas de los alcanos Son sustancias estables; sin embargo, en condiciones apropiadas, pueden originar reacciones cuyo interés práctico es considerable. Estas reacciones pueden, bien destruir o alterar el esqueleto orgánico o dejarlo intacto; en este último caso intervienen las reacciones de sustitución. 149

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

Combustión

Calores de combustión de los alcanos

Los alcanos son combustibles, y en su combustión producen dió­ xido de carbono y agua. Reacción general: CnH2n+2 + O2 Alcano + Oxígeno

Calor

CO2

+

Fórmula condensada

Calor de combustión en Cal/mol

Metano

CH4

211

Etano

C2H6

368

Propano

C3H8

526

n-Butano

C4H10

683

n-Pentano

C5H12

838

Nombre

H2O

Dióxido de carbono + Agua

Ejemplos:

CH4 + O2

CO2 + H2O



C2H6 + O2 CO2 + H2O

n-Hexano

C6H14

991



C5H12 + O2 CO2 + H2O

n-Heptano

C7H16

1 150

n-Octano

C8H18

1 305

n-Nonano

C9H20

1 462

n-Decano

C10H22

1 610

n-Pentadecano

C15H32

2 402

n-Hexadecano

C16H34

2 560

n-Heptadecano

C17H36

2 715

n-Octadecano

C18H38

2 870

Arden en el aire con una llama más o menos iluminante debido a una combustión incompleta, en la que las partículas de carbón no quemadas se ponen incandescentes. Las mezclas de vapores de al­ canos y aire u oxígeno en proporciones convenientes detonan en contacto con una chispa o una llama. El calor de combustión molar crece con el número de átomos de carbono, para los alcanos normales el aumento es de unas 157 kcal por grupo (—CH2—) introduciendo y la fórmula de Rossini: Q = 60.4 + 157 n (en la que n es el número de átomos de carbono) lo da con bastante aproximación a la temperatura de 25 °C (agua al estado líquido).

Alquenos

bajos (algunos grados) y sus densidades más altas. En las condicio­ nes ordinarias son gaseosas hasta C3, líquidos hasta C18 y sólidos en los términos superiores.

Propiedades físicas

Solubilidad

Las propiedades físicas de los alquenos son poco diferentes de las de sus correspondientes alcanos. Los puntos de ebullición son más

Los alquenos son insolubles en agua, pero solubles en una gran cantidad de disolventes orgánicos.

Propiedades físicas de los alquenos Fórmula condensada

Punto de fusión °C

Punto de ebullición °C

Densidad g/cm3 (líquido)

CH2 = CH2

–169

– 103

0.61

Propileno

CH3 – CH = CH2

–185

– 48

0.61

Buteno-1

CH3 – CH2 – CH = CH2

–130

–6

0.625

Cis-buteno-2

CH3 – CH = CH – CH3

–139

–4

0.625

Isobuteno

(CH3)2 C = CH2

–141

–7

0.627

Penteno-1

CH3 – (CH2)2 – CH = CH2

30

0.643

Hexeno-1

CH3 – (CH2)3 – CH = CH2

–138

63.5

0.675

Hepteno-1

CH3 – (CH2)4 – CH = CH2

–119

93

0.697

Octeno-1

CH3 – (CH2)5 – CH = CH2

–54

122

0.720

Octadeceno-1

CH3 – (CH2)15 – CH = CH2

–18

18

0.79

Nombre Etileno

150

Grupo Editorial Patria ®

Propiedades químicas de los alquenos Los alquenos presentan mayor actividad química que los alcanos, debido a la presencia del doble enlace, que puede fijarse por adi­ ción dos átomos o radicales monovalentes y permitir polimeriza­ ciones. El doble enlace hace, por otra parte, que los alquenos sean fácilmente oxidables, con ruptura de la cadena hidrocarbonada o sin ella, en el lugar en que existe el doble enlace.

Oxidación (combustión) de alquenos Como todos los hidrocarburos, los alquenos son combustibles, y al estado gaseoso, dan mezclas detonantes con el oxígeno. La reacción global de combustión completa se escribe: Reacción general: CnH2n + 3/2 n O2 Alcano + Oxígeno

Ejemplos:

n CO2 +nH2O Calor Dióxido de carbono + Agua

C2H4 + 6/2 O2

2CO2 + 2H2O

Eteno + Oxígeno en exceso

Dióxido de carbono + Agua



C3H6 + 9/2 O2 3CO2 + 3H2O



Propeno + Oxígeno



Dióxido de carbono + Agua

C4H8 + 6 O2 4CO2 + 4H2O Buteno + Oxígeno

Dióxido de carbono + Agua

Los alquenos son fácilmente oxidables; la oxidación moderada res­ peta el esqueleto carbonado, mientras que una oxidación más

enérgica, rompe la molécula (ruptura oxidante), en el lugar del do­ ble enlace. Ejemplo: Oxidación del etileno: CH2 = CH2 + ½ O2  Ag, 170 °C  CH2   CH2

O Etileno

+ oxígeno moderado

óxido de etileno

Nota: en química orgánica no es lo mismo decir combustión, que oxidación. La combustión se relaciona con quemar, producir dió­ xido de carbono y agua. En cambio el concepto de oxidación se refiere a la adición de oxígeno a una sustancia orgánica para obte­ ner otra diferente.

Alquinos Propiedades físicas Los alquinos son compuestos de baja polaridad, por lo que sus pro­ piedades físicas son muy semejantes a las de los alquenos. A tempe­ ratura ambiente, los tres primeros alquinos son gaseosos, desde el butino (C4), hasta el C15 (pentadecino) son líquidos y desde el C16 (hexadecino) en adelante, son sólidos. Sus puntos de ebullición son más elevados que los de los alquenos correspondientes; es de­ cir, sus puntos de ebullición aumentan al incrementarse el número de átomos de carbono. En el caso de isómeros, el más ramificado tiene el menor punto de ebullición.

Solubilidad Son insolubles en agua, muy solubles en disolventes orgánicos de baja polaridad, como benceno, éter, cloroformo, alcanos líquidos, etc. Son menos densos que el agua.

Propiedades físicas de los alquinos Fórmula condensada

Punto de fusión °C

Punto de ebullición °C

Densidad g/cm3 (líquido)

Etino o acetileno

CH = CH

– 83

– 82

0.62

Propino o alileno

CH3 – CH = CH

–102

– 23

0.67

CH3 – CH2 – C = CH

–123

8.5

0.67

Nombre

Etilacetileno

CH3 – C = C – CH3

– 28

27

0.69

Pentino-1

CH3 – CH2 – CH2 – C = CH

– 98

40

0.695

Pentino-2

CH3 – CH2 – C = C – CH3

–101

56

0.71

Hexino-1

CH3 – (CH2)3 – C = CH

–124

71

0.72

Hexino-3

CH3 – CH2 – C = C – CH2 – CH3

–51

82

0.725

Dimetilacetileno

151

3

Compuestos del carbono y macromoléculas Corresponde a un poder calorífico igual a 13 500 kcal/m3, debido al hecho de que al calor de combustión de sus elementos se suma el de la descomposición, que es considerable. Este gran calor de com­ bustión se aprovecha en el soplete oxiacetilénico, que permite ob­ tener temperaturas que pueden llegar a 3 000 °C y que se utiliza en la soldadura y corte de metales. La combustión incompleta del acetileno mezclado con hidrógeno a presión, descompone el acetileno por la chispa eléctrica; este pro­ cedimiento presenta la ventaja de dar al mismo tiempo hidrógeno. Nota: Fulliginosa es una llama con alta capacidad de oxidación.

Hidrocarburos aromáticos

Figura 3.34 Soplete oxiacetilénico.

Propiedades físicas de los aromáticos Los hidrocarburos aromáticos por ser moléculas de baja polaridad, sus propiedades físicas son semejantes a las de los hidrocarburos ya estudiados. Sus puntos de ebullición aumentan; conforme se in­ crementa su peso molecular. Los puntos de fusión no dependen sólo del peso molecular, sino también de la estructura. La relación que existe, entre la estructura y los puntos de fusión es compleja. Sin embargo, se observa que, entre los isómeros disustituidos del benceno, los isómeros para (p), que son los más simétricos y, por lo general, se funden a temperaturas más elevadas.

Propiedades químicas Combustión El acetileno arde en el aire con llama muy fulliginosa. Bajo ligera presión de acetileno la llama extendida es muy iluminante. Se usó, antes del desarrollo del alumbrado eléctrico, en la generalización del alumbrado por acetileno y todavía se usa en algunos casos (en las minas, alcantarillas, instalaciones campestres, puestos ambulan­ tes), pero su empleo tiende a desaparecer.

Por ejemplo: el benceno que es la base de los hidrocarburos aro­ máticos, es un líquido incoloro, móvil, más ligero que el agua (d = 0.889). Su olor, fuerte, no es desagradable. Su temperatura de ebu­ llición normal es de 80 °C; es el más volátil de los hidrocarburos aromáticos. Su punto de fusión es 5.4 °C. El benceno puro, obteni­ do por cristalización fraccionada, se conoce con el nombre de ben­ ceno cristalizable.

La combustión completa es muy exotérmica; el calor de reacción: C2H2 + 5/2 O2      Etino o acetileno + Oxígeno

2CO2 + H2O + 314 Kcal Dióxido de carbono + Agua

Propiedades físicas de algunos hidrocarburos aromáticos Punto de fusión °C

Punto de ebullición °C

Densidad g/cm3 (líquido) a 20 °C

Benceno

5.4

80

0.889

Tolueno

–95

111

0.866

Etilbenceno

–95

136

0.867

o-xileno

–25

144

0.880

m-xileno

–48

139

0.864

p-xileno

13

138

0.861

Naftaleno

80

218

1.145

Antraceno

216

340

1.25

Nombre

152

Grupo Editorial Patria ®

Solubilidad Los hidrocarburos aromáticos son insolubles en agua pero muy solubles en solventes no polares, como el éter, el tetracloruro de carbono, el éter de petróleo, etc.; casi siempre son menos densos que el agua y son menos solubles, debido a que tanto en la disolu­ ción como en la fusión, se tienen que vencer las fuerzas de atrac­ ción intermolecular y, entre más simétrico sea un compuesto, se ajusta mejor en la red. El benceno es insoluble en agua, y es, por el contrario, miscible con una gran cantidad de disolventes orgánicos, el alcohol absoluto y el éter. Posee un gran poder disolvente; disuelve el yodo (solución violeta), el fósforo, el azufre, las grasas, numerosas resinas, así como el hule natural. El benceno es tóxico y resulta peligroso cuando se respira durante largo tiempo sus vapores y lo mismo sucede con sus homólogos. Su constante crioscópica es de 5.70 (la del agua es 1.85) le hace muy útil, junto con su poder disolvente, en la determi­ nación de masas moleculares por criometría. Nota: Crioscópica hace referencia a la absorción del agua.

Propiedades químicas de los hidrocarburos Las reacciones características de los compuestos aromáticos son las de sustitución, en las que se conserva el anillo bencénico. Arriba y abajo del plano del benceno existe una nube de electrones pi (π), los que, en comparación con los sigma (σ), están débilmente unidos y; por tanto, aprovechables por los reactivos que buscan electrones. Re­ sulta lógico que las reacciones típicas del anillo bencénico sean las de sustitución electrofílica. Entre las reacciones de sustitución aromáti­ ca más importantes se encuentran las siguientes: nitración (se utiliza el ácido nítrico), sulfonación (se emplea el ácido sulfúrico), haloge­ nación (se usa un halógeno: Cl2 o Br2), alquilación de Friedel-Crafts (se utiliza un haluro de alquil, en presencia de un catalizador de AlCl3), acilación de Friedel-Crafts (se emplea un cloruro de acilo, en presencia de un catalizador de AlCl3).

Combustión Como todas las reacciones de combustión de los hidrocarburos antes mencionadas, al quemarse un hidrocarburo aromático se produce dióxido de carbono y agua. Por ejemplo, el benceno arde en el aire con llama fulginosa. Cuan­ do no se practicaba el desbenzolage del gas de hulla, contribuía a

hacer más luminosa la llama del gas. Las mezclas de vapor de ben­ ceno y aire u oxígeno en proporciones convenientes son detonantes. Como sus homólogos, su poder antidetonante es conside­ rable, lo que explica la práctica de la aromatización en la industria de los carburantes. Su calor de combustión completa es de casi 800 kcal/mol: C6H6 + 15/2 O2      Benceno + oxígeno

6CO2 + 3 H2O + 797 kcal dióxido de carbono + agua + calor

Superior a todos los de los carburantes no aromáticos.

Oxidación La oxidación directa con oxígeno del aire en presencia de cataliza­ dores a 700 °C y bajo presión puede ser limitada a la formación de fenol, sin alteración del núcleo: C6H6 + ½ O2      Benceno + oxígeno

C6H5OH Fenol

Nota: Desbenzolage significa quitar el benceno del material en cuestión.

 3.8 Grupos funcionales Los compuestos orgánicos se clasifican de manera general según las propiedades de los grupos más característicos y reactivos que contienen. Muchos compuestos contienen sólo uno de estos grupos y un resi­ duo inerte que consta de átomos de carbono e hidrógeno. El átomo o grupo de átomos que definen la estructura de una clase particular de compuestos orgánicos y determina sus propiedades se llama grupo funcional. La reactividad de un grupo funcional puede deberse a la presencia de un doble o triple enlace, o a la presencia de un par de electrones no compartidos, o bien, a ambos. Los alcanos son la única clase de compuestos que no tienen grupo funcional, ya que contienen ex­ clusivamente átomos de carbono e hidrógeno, los cuales están sa­ turados. Los dobles y triples enlaces, carbono-carbono, se consideran como grupos funcionales porque son centros en los que pueden ocurrir reacciones de adición y además tienen efectos sobre los átomos adyacentes.

153

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

  La familia que caracteriza a los grupos funcionales se llama función química Fórmula general

Grupo funcional

Función química

Ejemplo

Nombre

R2X

Halogenuro

Halogenuro de alquil o aril

CH3 2 Cl

Cloruro de metilo

R 2 OH

Oxhidrilo

Alcoholes y fenoles

CH3 2 OH

Metanol

Formilo

Aldehídos

CH3 2 CH 5 O

Etanol

Oxa

Cetonas

R 2 CH 5 0 | R R2C5O |

CH3 2 C 5 O

R

|

Propanona

CH3

R 2 COOH

Carboxilo

Ácidos

CH3 COOH

Ácido etanoico

R2O2R

Oxi

Éteres

CH3 2 O 2 CH3

Dimetil éter

R 2 COO 2 R

Carboxilato de alquino

Ésteres

CH3 2 COO 2 CH3

Etanoato de metilo

R 2 NH2

Amino

Aminas

CH3 2 NH2

Metilamina

R 2 CO 2 NH2

Amida

Amidas

CH3 2 CO 2 NH2

Etanamida

Ya se han explicado dos de estos grupos: los dobles y triples enlaces carbono-carbono, ambos imparten reactividad química considera­ ble a un hidrocarburo. Algunos grupos funcionales como los alcoho­ les, R-OH; aldehídos, R-CHO; cetonas, RCOR, etcétera, contienen otros elementos además de carbono e hidrógeno, tales como oxíge­ no, nitrógeno o halógeno. Los compuestos que contienen estos elementos se consideran derivados de los hidrocarburos. En ellos, uno o más de los átomos de hidrógeno de un hidrocarburo han sido reemplazados por otros átomos o grupos de átomos. De esta forma, se puede considerar que el compuesto consta de dos partes: un frag­ mento de hidrocarburo, como un grupo alquilo (designados por R), y uno o más grupos funcionales. Figura 3.35 En una cocina se presentan sustancias con diferentes grupos funcionales.

De acuerdo con lo anterior, la mayoría de los compuestos se pue­ den dividir en pocas clases, según los grupos funcionales que con­ tienen. Un grupo funcional es la parte de una molécula que tiene una distribución específica de átomos, de la cual depende el com­ portamiento químico de la molécula de origen. Las moléculas dife­ rentes que tienen la misma clase de grupo o grupos funcionales reaccionan de modo semejante. 154

Puesto que un grupo alquilo es poco reactivo, el grupo funcional es generalmente la parte reactiva de la molécula.

1. ¿Qué es un grupo funcional? 2. ¿Qué es una función química?

Actividad formativa

Grupo Editorial Patria ®

 Nomenclatura

uiqpa

Para fortalecer la nomenclatura de las sustancias químicas los cientí­ ficos agrupados en la uiqpa (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada, por sus siglas en español) establecida en Sevres Francia, decidieron para cada grupo funcional, mencionar a las sustancias con un nombre común o trivial (como eran conocidos) y un nom­ bre sistemático, por ejemplo para la fórmula CH3 – CH2 – OH pode­ mos nombrarla comúnmente como alcohol etílico o simplemente alcohol; y de acuerdo con la uiqpa se nombraría como etanol ya que se deriva del hidrocarburo de dos átomos de carbono (etano, y al fi­ nal va la terminación ol). Para cada grupo funcional se tiene su termi­ nación acordada; otro ejemplo para la fórmula CH3COOH, se nombra comúnmente como vinagre o ácido acético y de acuerdo con la uiqpa se le nombra como ácido etanoico. Lo anterior es fundamental porque a nivel mundial cada sustancia nueva se nombra de acuerdo con la uiqpa y la Química como cien­ cia ha tenido un avance notable que no causa confusión en nom­ brar a la sustancias a nivel mundial.

Alcoholes Los alcoholes son derivados de los hidrocarburos; en ellos uno o más hidrógenos de hidrocarburo básico son reemplazados por un grupo funcional oxhidrilo o alcohol, OH. El nombre para un alcohol termina en ol. Los alcoholes simples se nombran cambiando la últi­ ma letra del nombre del alcano correspondiente por ol; por ejem­ plo, el etano se convierte en etanol. Cuando es necesario se indica la posición del grupo OH con un prefijo y se señala el número del áto­ mo de carbono que lleva el grupo, tal como se ilustra a continuación:

Figura 3.36 Isómeros del propanol.

Como el enlace OH2 del alcohol es polar, los alcoholes son mu­ cho más solubles en disolventes polares (como el agua), que los hidrocarburos. El grupo funcional OH puede participar en puen­ tes de hidrógeno como los del agua. Como resultado, los puntos de ebullición de los alcoholes son mucho más altos que los de los alca­ nos correspondientes.

Alcohol primario:

R 2 CH2 2 OH (un radical alquil, R)

Alcohol secundario: R 2 CH 2 OH (dos radicales alquil, R) | R Alcohol terciario:

R | R 2 C 2 OH | R

(tres radicales alquil, R)

Lectura

Limpieza en el hogar 1. Limpia con cierta frecuencia la base de tu plancha para evitar que manche tu ropa, frotándola con un trapo limpio y seco impregnado con sal o tierra de piedra pómez; después límpiala con un trapo húmedo y déjala secar bien antes de usarla. 2. Para que el horno de microondas conserve toda su capacidad de cocimiento, límpialo después de cada uso (especialmente alrededor del empaque de la puerta) con una fibra de plástico y una disolución de bicarbonato de sodio y agua, nunca limpies el horno con fibra de vidrio. 3. Para facilitar la limpieza del procesador de alimentos antes de rallar, moler o picar cualquier alimento, rocía en las cuchillas un poco de aceite para que no se les peguen los alimentos. 4. Para destapar los orificios de la plancha de vapor, llénala con partes iguales de vinagre blanco y agua; deja que salga el vapor hasta que se seque; desconecta la plancha y agrega agua limpia hasta que salga toda el agua por los orificios. 5. Para mantener limpio el depósito y conductos de goteo de la cafetera, ponla a trabajar con agua y dos gotas de vinagre para disolver las incrustaciones formadas por la dureza del agua. 6. El principal enemigo de un tostador son los residuos de pan, por eso hay que mantenerlo siempre limpio; así durará más tiempo y evitará mayor consumo de electricidad. 7. Cuando algún alimento se derrame y ensucie el horno, rocía inmediatamente sal y bicarbonato y deja que se enfríe. Después, limpia con un trapo húmedo o estropajo, y la mancha se quitará fácilmente. 8. Limpia tu refrigerador con regularidad, de ser posible cada semana, con una disolución de bicarbonato de sodio y agua tibia; esto previene la proliferación de olores desagradables. Cuando el aparato esté desconectado, también es recomendable limpiar la parrilla de la parte trasera con un trapo húmedo para retirar el polvo.

155

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

Propiedades físicas y químicas de los alcoholes Los primeros alcoholes hasta el butanol son líquidos y solubles en agua. Del pentanol al undecanol son oleaginosos, insolubles en agua y de olor agradable. A partir del dodecanol son sólidos, insolubles en agua y sin olor. Son muy reactivos. Cuando se les elimina un hidrógeno for­ man alcanos. Reaccionan con los metales activos y forman otro tipo de alcoholes.

Nomenclatura y clasificación de alcoholes Nombre

Nombre común

Punto de ebullición °C

Clase

Fórmula

Primario

CH3OH

Metanol

Alcohol metílico

65

Primario

CH3CH2OH

Etanol

Alcohol etílico

78.5

Primario

CH3CH2CH2OH

1-propanol

Alcohol n-propílico

97.4

Primario

CH3(CH2)2CH2OH

1-butanol

Alcohol n-butílico

118

Primario

CH3(CH2)3-CH2OH

1-pentanol

Alcohol n-pentílico o n-amílico

138

Primario

CH3(CH2)6CH2OH

1-octanol

Alcohol n-octílico

195

2-metil-1-propanol

Alcohol isobutílico

108

iupac

CH3CHCH2OH Secundario  CH3

Uno de los principales alcoholes es el metanol; es el alcohol más sencillo, tiene usos industriales importantes y se produce en gran escala. Cuando se calienta la madera a altas temperaturas en una atmósfera carente de oxígeno, se forma metanol (alcohol de madera) y otros produc­ tos, los cuales son extraídos de la madera. Al proceso se le llama destilación destructiva, y hasta aproximadamente 1925 se obtenía casi todo el metanol a través de este método. En los primeros años de la década de 1920 se desarrolló en Alemania la síntesis del metanol por hidrogena­ ción catalítica a alta presión del monóxido de carbono. La reacción es la siguiente: ZnO 2Cr2O3 CO (g) Monóxido

1

CH3OH (g)

2H2(g) hidrógeno

300-400 °C, 200 atm

alcohol metílico

El metanol es un líquido volátil (p. eb. 65 °C), altamente inflama­ ble, venenoso y puede ocasionar ceguera o muerte si se ingiere. La exposición a vapores de metanol, aun durante cortos periodos, es peligrosa. Su producción anual mundial es de cuatro millones de toneladas y se usa para la obtención de formaldehído (metanal), principalmente para la fabricación de polímeros; también se utiliza para la desnaturalización del alcohol etílico (a fin de evitar su inges­ tión, haciéndolo perjudicial como bebida); igualmente se emplea como disolvente industrial y como anticongelante barato y tempo­ ral para los radiadores (no es anticongelante permanente, aunque sus resultados son satisfactorios debido a que su punto de ebulli­ ción es menor que el del agua). Figura 3.37 Algunos usos de los alcoholes.

156

Debido a que el metanol tiene un alto índice de octano como com­ bustible para automóvil, se ha utilizado en años recientes como aditi­

Grupo Editorial Patria ® vo para la gasolina (llamada entonces gasohol) y su función es reducir la cantidad de contaminantes de la atmósfera emitida por los automó­ viles. Otros beneficios de usar metanol en la gasolina es que se puede fabricar a partir de fuentes no petrolíferas. La fuente no petrolífera más económica de monóxido de carbono en la fabricación del metanol es el carbón. Además de este material se pueden usar también combusti­ bles como madera, desperdicios agrícolas y limo de drenaje.

Etanol Es sin duda el alcohol más reconocido desde los tiempos remotos y el que tiene el uso más extendido. Se le conoce con varios nombres: alcohol etílico, alcohol, alcohol de grano, metil carbinol, espíritu de vino, alcohol de caña o aqua vitae. La preparación de etanol por fermentación se registra en el Antiguo testamento. Gigan­ tescas cantidades de este producto se ob­ tienen por fermentación. El almidón y el azúcar son las materias primas. El almi­ dón se convierte primero en azúcar me­ diante hidrólisis catalizada por enzima o ácidos (una enzima es un catalizador bio­ lógico). Se logra la conversión de azúca­ res simples en etanol por la enzima zimasa de las levaduras: C6H12O6

Zimasa

El etanol para uso industrial se desnatura­ con base en alcohol. liza o destufa (es decir, se hace inadecuado para la ingestión). La desnaturalización se efectúa agregando pe­ queñas cantidades de metanol y otros destufantes que son en ex­ tremo difíciles de separar.

Figura 3.38 Se puede obtener un alcohol fermentado casi de cualquier tipo de fécula o azúcar.

2 CH3CH2OH 1 2 CO2 etanol

Glucosa

Para que el etanol se pueda utilizar en formas debidas hay que fabri­ carlo por fermentación. Gran parte de este alcohol es para uso in­ dustrial (unas 500 mil toneladas anuales en el mundo), se fabrica a partir del etileno, derivado del petróleo. El etileno se hace pasar por una disolución acuosa ácida para formar el etanol. CH2 5 CH2 1 H2O Eteno

H1

considera un estimulante, pero en realidad es un depresivo. En cantidades moderadas origina ebriedad y deprime las funciones ce­ rebrales, de modo que las actividades que requieren de habilidad y juicio (como el conducir un auto) quedan inter­feridas. En mayor cantidad, el etanol origina náuseas, vómito, percepción deficiente y falta de coordinación. Si se consume una cantidad muy alta, puede sobrevenir la inconciencia y Figura 3.39 finalmente la muerte. Productos farmacéuticos

CH3CH2OH etanol

Algunos de los usos económicos más importantes del etanol son: como intermediario en la fabricación de otras sustancias quími­ cas como el acetaldehído, ácido acético, acetato de etilo y éter dietílico; como disolvente de muchas sustancias orgánicas; como ingrediente para productos farmacéuticos, perfumes, aromas, y más, y en bebidas alcohólicas. El etanol actúa de manera fisiológica como alimento, medicamento y tóxico. Es alimento en sentido limitado, ya que el organismo puede metabolizar pequeñas cantidades en dióxido de carbono y agua con producción de energía. Como fármaco, el etanol con frecuencia se

Otros alcoholes que se usan mucho son el alcohol isopropílico (2-propanol), principal ingrediente de las formulaciones de alco­ hol para fricción; el etilenglicol, que es el principal componente de los anticongelantes de tipo permanente y se utiliza en la fabricación de fibras sintéticas de poliéster (dacrón); asimismo se emplea mu­ cho en la industria de la pintura; el glicerol, también conocido como glicerina es un líquido siroposo de sabor dulce. Sus usos principales se dan en la fabricación de polímeros y explosivos, como emoliente en cosméticos, humectante en el tabaco y como edulcorante.

Lectura

La fermentación alcohólica La fermentación es un proceso enzimático. La fermentación alcohólica es producida por las levaduras, que son hongos microscópicos unicelulares que liberan unas sustancias llamadas enzimas, y que son, en definitiva, las causantes de las fermentaciones. Las levaduras, como hongos que son, necesitan materias orgánicas para alimentarse, por eso se desarrollan muy bien en líquidos azucarados, que les sirven de sustratos, de ellos pueden obtener la energía almacenada en los glúcidos. La levadura del pan libera dos enzimas, una de las cuales, la invertasa o sacarasa, convierte la sacarosa en glucosa. Ésta se convierte en etanol y dióxido de carbono por la acción de otra enzima: la zimasa. Esta fermentación alcohólica tiene diversas aplicaciones en el campo de la alimentación. En unos casos se aprovecha el CO2 (en la fabricación de pan) y en otros lo que resulta utilizable es el etanol (fabricación de vino, cerveza y otras bebidas fermentadas). En un proceso anaerobio, no se necesita la presencia de oxígeno del aire para que pueda llevarse a cabo.

157

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

  Actividad formativa

Da el nombre sistemático de los siguientes alcoholes. —

1. CH3—CH—CH2—CH2—OH —

—

2. CH3—CH2—CH—CH—CH3 OH CH3

Es aerobia (necesita el oxígeno del aire para tener lugar) y lo producen bacterias del tipo acetobacter. La fermentación acéti­ ca es responsable de la fabricación del vinagre a partir del vino. b) Fermentación láctica. Lactosa 5 ácido láctico

—

CH3

a) Fermentación acética. Etanol 5 ácido acético 1 agua

CH3

3.

Las principales fermentaciones bacterianas son:

—

—

C—CH3

c) Fermentación butírica. Glúcidos 5 ácido butírico

CH3

Es aerobia. La produce el Clostridum batiricum y el Bacillus amiobacter. Es la fermentación que tiene lugar al enranciarse la mantequilla y la obtención de la fécula de papa.

—

OH

—

4. CH3—C—CH2—CH3 OH

d) Fermentación pútrida o putrefacción. Consiste en la desintegración de las grandes moléculas protei­ cas de los residuos vegetales y cadáveres animales que llegan a formar aminoácidos. En este proceso se liberan gases como el amoniaco, dióxido de carbono, hidrógeno, metano y otros de olor fétido, como el sulfuro de hidrógeno, el nidol y el escano. Se producen también las ptomaínas, sustancias muy tóxicas, venenosas.

Éteres Los compuestos en los que hay dos grupos de hidrocarburos unidos a un oxígeno se llaman éteres: ROR’. Los dos grupos, R y R’, pueden derivarse de hidrocarburos saturados, no saturados o aromáticos, y para un éter dado pueden ser iguales o diferentes. En el cuadro de la página siguiente se muestran las fórmulas estructu­ rales y los nombres de algunos éteres.

Figura 3.40 Destilación del vino.

Otros tipos de fermentaciones Durante la fermentación, las bacterias útiles se llaman saprofitas, las cuales producen determinadas sustancias útiles para el medio en el que viven, o bien, descomponen la materia orgánica muerta pasándola a materia mineral. 158

Figura 3.41 Estructura del agua y del dimetiléter.

Grupo Editorial Patria ®

Nombres y fórmulas estructurales de los éteres Nombre

Fórmula

Punto de ebullición °C

CH3 2 O 2 CH3

224

Éter dimetílico Metoximetano Dimetil éter Éter metil etílico Metoxietano

CH3CH2 2 O 2 CH3

Etil metil éter Éter dietílico Etoxietano

35

CH3CH2 2 O 2 CH2CH3

Dietil éter CH3CH2 2 O 2 CH 2 CH3 | CH3

Éter etil iso-propílico (2-etoxipropano) Éter divinílico o

39

CH2 5 CH 2 O 2 CH 5 CH2

Dirivil éter Anisol

154

CH3 2 O 2

(metoxibenceno)



  Actividad formativa

1. Da el nombre correcto de los siguientes éteres: a) CH3—CH2—O—CH2—CH3 b) CH3—CH2—O—CH3 c)

—O— —

CH3

—

d) CH3—O—CH2—CH CH3 —O—CH2—CH2 —

e)

CH3

Halogenuro de alquilo Cuando uno o más átomos de halógenos sustituyen a uno o más átomos de hidrógeno de un hidrocarburo, se obtiene un derivado mono o polihalogenado, conocido como halogenuro de alquilo, cicloalquilo o arilo, dependiendo de la naturaleza de hidrocarburo, cuya fórmula general es R-X, donde R es cualquier radical alquil o aril y X un halógeno (F, Cl, Br o I).

Estos compuestos se nombran colocando el nombre del halógeno junto al del hidrocarburo correspondiente; la posición del halóge­ no en la cadena se indica mediante un número cuando sea necesa­ rio, y se clasifican de la siguiente forma:

R2CH22X Halogenuro 1°

R2CH2X | R Halogenuro 2°

R | R2C2X | R Halogenuro 3° 159

3

Compuestos de carbono y macromoléculas Ejemplos

Clorometano o cloruro de metilo:

CH3 2 Cl

Bromoetano o bromuro de etilo:

CH3 2 CH2 2 Br

CH3  | 2-Yodo-2-metilbutano o yoduro de terpentilo: CH3 2 CH2 2 C 2 I  | CH3

2-Cloropropano o cloruro de isopropilo: CH3 2 CH 2 CH3  | Cl

La nomenclatura trivial o común es satisfactoria para los halogenuros simples, pero el sistema más general es el de la iupac.

  Actividad formativa

1. Da el nombre sistemático de los siguientes halogenuros de alquilo: —

e) Cl

Cl

—

I —

CH3

—

I —

—

—

Cl

b) CH3—C—Br

—

—

CH3

Cl Cl

c) CH3—CH2—CH—Clc) CH3—CH2—CH—Cl

e) Cl

b) CH3—C—Br —

—

—

—

—

—

a) CH3—C—C—CH3 a) CH3—C—C—CH3 Cl Cl

CH3

—

CH3

Cl Cl

—

—

Cl Cl

I

I

d) CH3—(CH2 )4—CH2—C—CH d) CH3—(CH 3 2 )4—CH2—C—CH3

Cl Cl



  Actividad formativa

Completa el siguiente mapa conceptual.

GRUPOS FUNCIONALES

Fórmula Alcohol Éter

CH3  OH ROR

Aldehído Cetona

Ejemplo

CH3  CH  O R  CO  R

Ácido carboxílico Éster

R  COO  R

Amida Amina Halogenuro de alquilo

160

CH3 CONH2 R  NH2 CH3  Cl

Grupo Editorial Patria ®

Aminas Las aminas son derivados orgánicos del amoniaco (NH3) con uno o más de los átomos de hidrógeno sustituidos por un grupo alquilo o arilo. El grupo funcional característi­ co de la aminas se denomina grupo amino y se expresa como —NH2 . Las aminas se clasifican de acuerdo con el número de átomos de hidrógeno del amoniaco, los cuales se sustituyen por grupos orgánicos. Aquellos que tienen un solo grupo se llaman aminas primarias, los que tienen dos, aminas secundarias y los que tienen tres, aminas terciarias. H | H2N2H Amoniaco (NH3)

H | R2N2H Amina primaria

R | R2N2H Amina secundaria

R | R2N2 R Amina terciaria

(R2NH2)

(R22NH)

(R32N)

Ejemplos H | CH32N2H

CH3 | CH3 2N2H

CH3 | CH3 2N2CH3

Metilamina

Dimetilamina

Trimetilamina

Figura 3.42 Las aminas se utilizan como colorantes.

Para nombrar a las aminas, el sistema más empleado consiste en denominar los grupos alquílicos o arílicos unidos al átomo de nitrógeno, utilizando los prefijos adecuados si hay dos o más sustituyentes idénticos unidos al nitrógeno, seguido de la palabra “amina”. Los prefijos di, tri indican una amina que tiene grupos o radicales iguales. Cuando se trata de grupos diferentes éstos se nombran empezando por los más peque­ ños y se termina con el mayor al que se le agrega la terminación amina. Algunas veces el prefijo amino indica la posición, más el nombre del hidrocarburo. Ejemplos

—

— —

—

Metilamina o aminometano CH3—NH2 Etilamina o aminoetano CH3—CH2—NH2 Propilamina o aminopropano CH3—CH2—CH2—NH2 Butilamina o aminobutano CH3—CH2—CH2—CH2—NH2 Dimetilamina o metil-aminometano CH3—NH—CH3 Trimetilamina o dimetil-aminometano CH3—N—CH3 Metilamina Metilamina o aminometano o aminometano CH3—NH CH3—NH 2 2 Ejemplos Etilamina Etilamina o aminoetano o aminoetano CH3—CH CH3—CH —NH 2—NH 2CH 23 2 Propilamina Propilamina o aminopropano o aminopropano CH3—CH CH3—CH 2—CH 2—CH 2—NH 2—NH 2 2 Butilamina Butilamina o aminobutano o aminobutano CH —CH CH —CH —CH —CH —CH 3CH3—CH 3 2 2—NH—CH 22 2—CH 2—NH 2—NH 2 2—CH 2 3 Etil-propil-amina o etil-aminopropano 2—CH Dimetilamina Dimetilamina o metil-aminometano o metil-aminometano CH3—NH—CH CH3—NH—CH 3 3 Trimetilamina Trimetilamina o dimetil-aminometano o dimetil-aminometano CH—N—CH —N—CH CH3—N—CH 3 Metil-etil-propilamina o metil-etil aminopropano CH 33 2—CH 23—CH3

Etil-propil-amina Etil-propil-amina o etil-aminopropano o etil-aminopropano

—

CH3 CH3 CH 2

CH3—CH CH3—CH 2—NH—CH 2—CH 2—CH 2—CH 2—CH 3 3 CH23—NH—CH

—

—

Metil-etil-propilamina Metil-etil-propilamina o metil-etil o metil-etil aminopropano aminopropanoCH3—N—CH CH3—N—CH 2—CH 2—CH 2—CH 2—CH 3 3

—

—

CH2 CH2

161

Etil-propil-amina Etil-propil-amina o etil-aminopropano o etil-aminopropano

—

3

CH3—NH CH23—NH2 CH3—CH CH23—NH —CH22—NH2 CH3—CH CH23—CH —CH22—NH —CH22—NH2 CH3—CH CH23—CH —CH22—CH —CH22—NH —CH22—NH2 CH3—NH—CH CH3—NH—CH 3 3 CH3—N—CH CH3—N—CH 3 3

—

Metilamina Metilamina o aminometano o aminometano EtilaminaEtilamina o aminoetano o aminoetano Propilamina Propilamina o aminopropano o aminopropano Butilamina Butilamina o aminobutano o aminobutano Dimetilamina Dimetilamina o metil-aminometano o metil-aminometano Compuestos del carbono macromoléculas Trimetilamina Trimetilamina o dimetil-aminometano oy dimetil-aminometano

CH3

CH3

CH3—CH CH23—NH—CH —CH2—NH—CH —CH32—CH3 2—CH22—CH



—

CH2

—

CH2

—

—

Metil-etil-propilamina Metil-etil-propilamina o metil-etil o metil-etil aminopropano aminopropano CH3—N—CH CH3—N—CH —CH32—CH3 2—CH22—CH

CH3

CH3

  Actividad de aprendizaje

1. Da el nombre sistemático de los siguientes aminas: a) CH3—CH2—NH2 —

b) CH3—CH2—NH CH3

—

CH3

c) CH3—CH2—N— —

CH3

d) CH3—CH2—CH2—N—CH2—CH3 —

CH3

—

e) CH3—N—CH3 CH3 f) CH3—CH—CH2—NH2

Aldehídos y cetonas Los aldehídos y las cetonas son compuestos muy relacionados. Sus estructuras contienen el grupo carbonilo 2C5O, un carbono doblemente enlazado con un oxígeno. Los aldehídos tienen al me­ nos un átomo de hidrógeno enlazado con el grupo carbonilo, mientras que las cetonas tienen dos grupos, alquilo o arilo (o aro­ mático, Ar) enlazados con el grupo carbonilo.

Figura 4.43 Estructura de un aldehído y una cetona.

O || R2C2H Aldehídos

O || Ar 2 C 2 H

O || R 2 C 2 Ar cetonas 162

O || Ar 2 C 2 Ar

O || R2C2R

Grupo Editorial Patria ® munes y para las uñas; y como disolvente en la industria de los plás­ ticos, la metilcetona (MEC).   Actividad formativa 1. Da el nombre sistemático de los siguientes aldehídos y acetonas: a) CH3—CHO b) CH3—CH2—CHO

—

CH3

c) CH3—CH—CHO

Figura 3.44 Algunos usos de aldehídos y cetonas.

— — — —

CH3

d) CH3 — C — C — CH2 — CH3

En una notación lineal, con frecuencia se escribe el grupo aldehído como CHO, o bien CH5O; por ejemplo:

e) CH3—C—

— —

O || CH3CH 5 O equivale a CH3 2 C 2 H

f)

O —C—

— —



CH3 O

O

En la expresión lineal para una cetona, el grupo carbonilo se escri­ be CO o también C5O; por ejemplo:

Ácido carboxílico

O || CH3COCH3 equivale a CH3 2 C 2 CH3

El formaldehído es el aldehído más sencillo y más usado. Es un gas tóxico e irritante, muy soluble en agua. Se maneja como disolución acuosa a 40%, llamada formol o formalina. Como el formaldehído es un poderoso germicida, se emplea para embalsamar y preservar especímenes biológicos. También sirve para desinfectar habitacio­ nes, barcos y construcciones para almacenamiento; para combatir plagas de moscas; para curtir pieles y como fungicida de plantas y vegetales. Pero el principal uso de esta sustancia es la fabricación de polímeros. La producción anual mundial de formadehído es de 21 millones de toneladas. Sus vapores son muy irritantes para las membranas mucosas y su ingestión puede ocasionar fuertes dolo­ res abdominales que conducen al coma y a la muerte. La acetona y la metilcetona se usan mucho como disolventes or­ gánicos. Con este objeto, la acetona se emplea en cantidades muy grandes. La producción anual mundial de acetona es de 3 toneladas. Se usa como disolvente en la fabricación de medicinas, productos químicos y explosivos; para la remoción de pinturas, barnices co­

Los ácidos orgánicos, que se conocen como ácidos carboxílicos, se caracterizan por el grupo carboxilo funcional. Este grupo se re­ presenta de las siguientes maneras:

O  || R 2 C 2 OH  o bien  R 2 COOH  o bien  R 2 CO2H

Los ácidos carboxílicos alifáticos forman una serie homóloga. El grupo carboxilo siempre queda en el extremo de la cadena y se en­ tiende que el átomo de C de este grupo es el carbono número 1 al dar el nombre al compuesto. Los ácidos carboxílicos tienen la fórmula general R-COOH, don­ de R es un grupo alifático o aromático. Para denominar un ácido carboxílico según el sistema iupac, se identifica primero la cadena más larga que incluya el grupo car­ boxilo. A continuación se forma el nombre del ácido eliminando la o del nombre del hidrocarburo básico correspondiente y se agrega la terminación oico. Se antepone la palabra ácido. Así, los nom­ bres que corresponden a los ácidos de uno, dos y tres átomos de 163

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

Figura 3.45 Representación molecular del grupo carboxilo (2COOH).

CH3(CH2)2COOH

Ácido butanoico

Ácido butírico

CH3(CH2)3COOH

Ácido pentanoico

Ácido valeriánico

CH3(CH2)4COOH

Ácido hexanoico

Ácido caproico

CH3(CH2)6COOH

Ácido octanoico

Ácido caprílico

CH3(CH2)8COOH

Ácido decanoico

Ácido cáprico

CH3(CH2)10COOH

Ácido dodecanoico

Ácido láurico

CH3(CH2)12COOH

Ácido tetradecanoico

Ácido mirístico

CH3(CH2)14COOH

Ácido hexadecanoico

Ácido palmítico

CH3(CH2)16COOH

Ácido octadecanoico

Ácido esteárico

CH3(CH2)18COOH

Ácido icosanoico

Ácido araquídico

  Actividad formativa

carbono son, respectivamente, ácido metanoico, ácido etanoico y ácido propanoico. Desde luego, estos nombres se derivan del me­ tano, etano y propano.

1. Da el nombre sistemático de los siguientes ácidos:

El método iupac no es el único ni el de uso más general para dar nombre a los ácidos. A los ácidos metanoico, etanoico y propanoico se les llama ácido fórmico, acético y propiónico, respectivamente. Estos nombres generalmente se refieren a una fuente natural del ácido y no son sistemáticos. Al ácido fórmico se le llamó así por la palabra latina formica, que quiere decir “hormiga”. El ácido acético se encuentra en el vinagre y el nombre proviene de la palabra latina acetum.

b) CH3(CH2)9COOH

El nombre del ácido butírico se deriva de la denominación latina para la mantequilla butyrum. Muchos de los ácidos carboxílicos, especialmente los que tienen número par de átomos de carbono entre 4 y 20, existen combinados en las grasas vegetales y animales. A estos ácidos se les llama ácidos grasos saturados. El cuadro siguiente contiene la lista de los ácidos carboxílicos alifá­ ticos saturados más importantes.

Fórmulas y nombres de los ácidos carboxílicos Fórmula

Nombre según iupac

Nombre común

HCOOH

Ácido metanoico

Ácido fórmico

CH3COOH

Ácido etanoico

Ácido acético

CH3CH2COOH

Ácido propanoico

Ácido propiónico

164

a) CH3(CH2)5COOH

CH3  | c) CH32CH2COOH CH3 | d) CH2C2COOH | CH3 Cl | e) CH32CH2COOH Cl | f) CH32C2CH22COOH | Cl

Lectura

¿Por qué usar detergentes en lugar de jabones? 1. La mayoría de los jabones o sales sódicas de ácidos orgánicos superiores, al disolverse en el agua se disocian en iones de sodio

Grupo Editorial Patria ®

(Na1) y en iones negativos (CH32(CH2)n2COO) que serán los que harán de puente entre la grasa y el polvo de la suciedad y las moléculas de agua. Si el agua contiene iones de sodio, el jabón no puede disolverse (efecto de ion común) y por tanto no puede lavar. 2. El jabón forma compuestos insolubles con los iones: Ca12, Mg12 Fe12, entre otros y no lava hasta que éstos no han sido eliminados. Hace falta más jabón y además los compuestos insolubles que quedan entre las fibras de la ropa se acartonan, amarillean o depositan en las partes metálicas de las lavadoras y las lavavajillas. Los surfactantes de los detergentes forman, por el contrario, compuestos solubles con los mencionados iones. 3. Los jabones, al ser sales de ácidos orgánicos y por tanto débiles, reaccionan con los ácidos fuertes y dejan libre el ácido graso, lo cual no ocurre con los detergentes.



Actividad experimental

Sigue las instrucciones de tu profesor; reúnanse en equipos de cuatro o cinco alumnos y realicen la siguiente actividad. Contesten las preguntas que aparecen al final y con sus conclusiones elaboren un informe escrito y expónganlo frente al grupo.

Jabón de tocador Ya obtuvimos jabón en la práctica de la fabricación de jabón en la primera parte, pero ahora repetiremos el proceso para obtener un jabón más delicado que además de lavarnos protegerá nuestra piel.

Material n 1

cazuela pequeña

n 1

agitador o cucharilla

n 1

hoja de papel

n 1

cazuela grande

n moldes

de madera o polietileno

n bandeja

cartón

n toalla

o paño

n papel

impermeable a la grasa

n 2

cucharadas soperas de sosa cáustica

n 200

mL de agua

n 500

mL de aceite de almendras o de oliva

n 100

g de aceite de coco

n 2

cucharadas de café con glicerina o con miel

Procedimiento 1. Pon agua en la cazuela pequeña. 2. Mide la sosa cáustica con cuidado e introdúcela lentamente en el agua, removiéndola hasta que se disuelva. 3. Calienta a fuego lento los aceites junto con la glicerina hasta que estén bien incorporados. Ten cuidado con el fuego. 4. Cuando la disolución de sosa esté a temperatura ambiente viértela sobre los aceites y muévela de nuevo. 5. Sigue removiendo hasta que la mezcla obtenga espesor (aproximadamente 15 minutos). Si se solidifica, caliéntala a baño María y remueve hasta que adquiera la consistencia necesaria para poder verterla. 6. Vierte la mezcla en los dos moldes. 7. Envuelve la bandeja o botella con una toalla y déjala reposar en un lugar cálido y seco hasta que se solidifique. 8. Cuando el jabón esté sólido retíralo de los moldes separando el plástico de las pastillas. 9. Envuelve las pastillas en el papel impermeable a la grasa y consérvalas hasta que se endurezcan (aproximadamente dos semanas). Contesta las siguientes preguntas: ¿Por qué se calienta la solución de sosa cáustica?

Figura 3.46 Elaboración de un jabón.

165

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

¿Cuáles son las fórmulas de las sustancias que utilizaste?

Ésteres Los ácidos carboxílicos y los ésteres son componentes de muchos artículos domésticos; las espinacas y algunos limpiadores contie­ nen ácido oxálico; la vitamina C es ácido ascórbico; las frutas cítri­ cas contienen ácido cítrico. Muchas lociones para mitigar las quemaduras solares contienen benzocaína (un éster); los hilos de poliéster y la aspirina también son ésteres.

¿Cuál es la reacción química que ocurrió? ¿Por qué hay una reacción que se llama saponificación? Compara esta receta con la del experimento anterior y compara luego el aspecto de ambos jabones. Escribe tus observaciones.

Los ácidos carboxílicos reaccionan con los alcoholes en un medio ácido, por lo que forman ésteres, cuya fórmula general es RCOOR, donde R es un grupo alifático o aromático. El grupo funcional del éster es 2COOR.

Conclusiones:

Éster

Grupo funcional

o también

O O || || R2C2O2R’  R2COO2R’   2C2OR’  2COOR’ La reacción entre el ácido acético y alcohol etílico forman un éster y una molécula de agua como producto. A este método se le llama esterificación: Ácido CH3COOH Ácido acético

1

alcohol

1 CH3CH2OH 1 alcohol etílico

(Ácido etanoico) 1

(etanol)

éster

1 agua CH3COOCH2CH3 1 H2O acetato de etilo

1 agua (etanoato de etilo) 1 agua Los ésteres son derivados alcohólicos de los ácidos carboxílicos. Se les nombra colocando primero la parte del ácido (R), terminada en ato (en vez de ico), seguida de la preposición de y el nombre del alcohol. Así, en el sistema iupac, el ácido etanoico da lugar a los etanoatos y el ácido acético, a los acetatos. Para dar nombre a un éster es necesario considerar la posición de la molécula de éster que proviene del ácido y la parte que proviene del alcohol. El RCOO de la fórmula general de un éster proviene del ácido, y el ROH proviene del alcohol. Los ésteres se encuentran en la naturaleza en muchas variedades de especies vegetales. Muchos tienen olores agradables, fragantes o frutales y se emplean como aromatizantes y saborizantes. Por ejemplo, uno de los ésteres responsables del olor de los plátanos es el acetato de pentilo, CH3COOCH2CH2CH2CH2CH3.

Figura 3.47 Mediante la saponificación se puede obtener gran variedad de jabones.

166

Los ésteres son insolubles en agua, pero solubles en alcohol etílico. La hidrólisis de un éster en presencia de una base se llama saponificación, término que proviene de la palabra latina (sapon, ja­ bón). Los ésteres naturales incluyen las grasas y los aceites.

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Figura 3.48 Los ésteres se forman por la reacción de un ácido carboxílico con un alcohol.

Figura 3.49 Estructura molecular de la acetamida en su forma simple.

En la fabricación del jabón se hierve una grasa animal o un aceite vegetal con una base fuerte, usualmente hidróxido de sodio (NaOH). El jabón resultante consiste en una mezcla de sales de sodio y ácidos carboxílicos de cadena larga (llamados ácidos gra­ sos), los cuales se forman durante la reacción de saponificación.

Las amidas presentan la siguiente estructura:



  Actividad formativa

1. Da el nombre sistemático de los siguientes ésteres:

R2C5O | NH2 Se nombran cambiando la terminación ico del ácido por la palabra amida.

a) CH3—COO—CH3 a) CH3—COO—CH3 b) b)

—COO—CH3 —COO—CH3

—— ——

CH3 CH3

c) CH3—C—COO—CH3 c) CH3—C—COO—CH3

Ejemplos Etanoamida o acetamida

CH3 2 CONH2

Metanoamida o formamida

H 2 CONH2

Si la amida es sustituyente en el nitrógeno, éste debe indicarse como prefijo.

CH3 CH3

d) CH —CH —COO—CH —CH d) CH33—CH22—COO—CH22—CH33 CH3 CH3

——

—— ——

CH3 CH3

e) CH3—C—COO—CH—CH3 e) CH3—C—COO—CH—CH3 CH3 CH3

Amidas Las amidas se pueden considerar como el producto de la sustitu­ ción del hidróxilo del grupo funcional carboxilo por un grupo ami­ no; su fórmu­la general es R 2 CONH2.

Ejemplos N-metil acetamida

CH3 2 CO 2 NH 2 CH3

N-etil-propanamida C2H5 2 CO 2 NH 2 C2H5

Funciones de los carbohidratos Los carbohidratos (hidratos de carbono) son unos nutrientes fun­ damentales con importantes funciones en nuestro organismo, convirtiéndose en la principal fuente de energía. En los seres vivos las funciones de los carbohidratos se pueden ge­ neralizar en: 167

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

a) Energéticas (glucógeno en animales y almidón en vegetales, bacterias y hongos) La glucosa es uno de los carbohidratos más sencillos, comu­ nes y abundantes; representa a la molécula combustible que satisface las demandas energéticas de la mayor parte de los organismos. b) De reserva Los carbohidratos se almacenan en forma de almidón en los vegetales (gramíneas, leguminosas y tubérculos) y de glucó­ geno en los animales. Ambos polisacáridos pueden ser degra­ dados a glucosa. c) Compuestos estructurales (como la celulosa en vegetales, bacterias y hongos y la quitina en artrópodos) Los carbohidratos estructurales forman parte de las paredes celulares en los vegetales y les permiten soportar cambios en la presión osmótica entre los espacios intra y extracelulares. Ésta es la sustancia natural más abundante en el planeta. En las grandes plantas y árboles, la celulosa, estructura fibrosa cons­ truida de glucosa, cumple la doble función de carga y soporte. La celulosa es de origen vegetal principalmente, sin embargo algunos invertebrados tienen celulosa en sus cubiertas protec­ toras. El polisacárido más abundante en los animales es la qui­ tina. En los procariontes forma la pared celular construida de azú­ cares complejos como los peptidoglicanos y ácidos teicoicos. A las propiedades de esta estructura se le atribuyen muchas de las características de virulencia y antigenicidad. En algunos animales como los insectos los carbohidratos forman la quiti­ na, el ácido condroitín sulfúrico y el ácido hialurónico, macro­ moléculas de sostén del aparato muscular. d) Precursores Los carbohidratos son precursores de ciertos lípidos, proteí­ nas y dos factores vitamínicos, el ácido ascórbico (vitamina C) y el inositol. e) Señales de reconocimiento (como la matriz extracelular) Los carbohidratos intervienen en complejos procesos de re­ conocimiento celular, en la aglutinación, coagulación y reco­ nocimiento de hormonas.

Combustión Como ya se mencionó, cuando se lleva a cabo un fenómeno quími­ co, éste se acompaña por una manifestación de energía, ya sea que haya absorción (reacción endotérmica) o desprendimiento (reac­ ción exotérmica) de ella, debido a la energía química que almace­ nan las sustancias. Por ejemplo, al reaccionar el metano (gas combustible) con el oxígeno (gas comburente), hay desprendi­ 168

miento de energía como producto, porque el contenido energético del metano y del oxígeno es mayor al que posee el dióxido de car­ bono y el agua, que son las sustancias que se forman durante la re­ acción: Reacción exotérmica CH4(g) + 2O2(g)  Metano

oxígeno

 

CO2(g) + 2 H2O + 213 kcal

dióxido de carbono

agua

energía liberada

Por tanto, si al reaccionar, una o varias sustancias producen otras con mayor contenido energético, habrá absorción de energía por parte de los reactivos, como lo muestra la siguiente reacción de fo­ tosíntesis: 6 CO2 + 6 H2O + 673 kcal 

 

C6H12O6 + O2

Reacción endotérmica El contenido energético de los reactivos es menor que el contenido energético de los productos. Las sustancias de gran contenido energético se utilizan como com­ bustible, ya que al reaccionar con el oxígeno se genera una gran cantidad de energía en forma de luz y calor. En el caso de los alimentos también almacenan energía química y mediante éstos los organismos obtienen la energía necesaria para, es decir, para formar y renovar tejidos, mantener su temperatura, realizar trabajo muscular, etcétera. Los alimentos contienen nutrientes como los carbohidratos, los lí­ pidos (grasas), las proteínas y las vitaminas, a los cuales se les deno­ mina biogenésicos (por ser de origen orgánico); otros nutrimentos de origen inorgánico son el agua y los minerales como el sodio, el fósforo, el azufre, el cloro, el cobalto, el manganeso y el zinc. Los organismos utilizan los alimentos para obtener de ellos energía y nutrimentos; estos últimos son descompuestos para ser utiliza­ dos en el crecimiento y restauración celular. A este proceso de transformación se le denomina metabolismo. La energía que se puede metabolizar a partir de los carbohidratos es de 4 kcal por gramo, de los lípidos, de 9 kcal por gramo y, de las proteínas, de 4 kcal por gramo. Se recomienda que en una dieta adecuada se ingieran alimentos que proporcionen aproximada­ mente 3 000 kcal por día (según la actividad física que se desempe­ ñe), que contengan, de manera balanceada, todos los nutrimentos. Por ejemplo: 75 g de proteínas, 80 g de lípidos y de 400 a 500 g de carbohidratos. Además, se debe considerar que el agua es muy im­ portante como nutrimento y que los seres humanos necesitan de 2 a 2.5 litros por día, aunque los alimentos también proporcionan una cantidad proporcional de ella que se conoce como agua metabólica. A continuación se muestra la oxidación de la glucosa:

Grupo Editorial Patria ® Función energética: Generalmente se presentan en forma de tria­ cilgliceroles, constituyen la reserva energética de uso tardío o dife­ rido del organismo. Su contenido calorífico es muy alto (10 kcal/g), y representan una forma compacta y anhidra de alma­ cenamiento de energía.

Figura 3.50

En esta ecuación se observa que cada átomo de oxígeno “gana” 2 electrones (se reduce) y el carbono “pierde” 4 electrones (se oxida).

O° + 2e– O–2



C° – 4e– C+4

La conversión de los nutrientes en energía ocurre durante los lla­ mados procesos de catabolismo: la fermentación y la respiración.

Clasificación: simples y complejos Existen distintos niveles en la clasificación de los lípidos: de acuer­ do con su estructura molecular, se dividen en dos grandes grupos: los lípidos saponificables y los lípidos insaponificables.

Lípidos saponificables simples

Función como reserva de agua: Al poseer un grado de reducción mucho mayor el de los hidratos de carbono, la combustión aerobia de los lípidos produce una gran cantidad de agua (agua metabóli­ ca). Así, la combustión de una mol de ácido palmítico puede pro­ ducir hasta 146 moles de agua (32 por la combustión directa del palmítico, y el resto por la fosforilación oxidativa acoplada a la res­ piración). En animales desérticos, las reservas grasas se utilizan principalmente para producir agua (es el caso de la reserva grasa de la joroba de camellos y dromedarios). Función como producción de calor: En algunos animales hay un tejido adiposo especializado que se llama grasa parda o grasa marrón. En este tejido, la combustión de los lípidos está desacopla­ da de la fosforilación oxidativa, por lo que no se produce ATP, y la mayor parte de la energía derivada de la combustión de los triacil­ gliceroles se destina a la producción de calor. En los animales que hibernan, la grasa marrón se encarga de generar la energía calórica necesaria para largos periodos de hibernación. En este proceso, un oso puede llegar a perder hasta 20% de su masa corporal.

Terpenos: Son derivados del isopreno. Entre ellos están las vitami­ nas E, A, K y aceites esenciales.

Debido a su estructura, son moléculas hidrófobas (insolubles en agua), pero son solubles en disolventes orgánicos no polares como la bencina, el benceno y el cloroformo lo que permite su extracción mediante este tipo de disolventes. A los lípidos se les nombra inco­ rrectamente grasas, ya que éstas son sólo un tipo de lípidos proce­ dentes de animales y son los más ampliamente distribuidos en la naturaleza. A menudo, los lípidos, más conocidos como grasas tie­ nen mala opinión. Se les culpa de una gran cantidad de enfermeda­ des: aumento de colesterol, enfermedades vasculares como la arterosclerosis, trastornos hepáticos y en especial el sobrepeso. Sin embargo, hay que tener en cuenta que no todas son malas para el organismo. De hecho, los lípidos tienen una función importante en el correcto funcionamiento de nuestro cuerpo: energética, estruc­ tural, hormonal y transportadora.

Esteroides: Son derivados del hidrocarburo esterano. Ejemplos: los ácidos biliares, las hormonas sexuales, la vitamina D y el colesterol.

Función estructural

Ácidos grasos saturados: Son lípidos que no presentan dobles enlaces entre sus átomos de carbono. Se encuentran en el reino ani­ mal. Ejemplos: ácido láurico, ácido mirístico, ácido palmítico. Áci­ do margárico, ácido esteárico y ácido lignogérico. Ácidos insaturados: Poseen dobles enlaces en su configuración molecular. Se encuentran en el reino vegetal: ácido palmitoleico, ácido elaídico, ácido linoleico, ácido linolénico, ácido araquidóni­ co y ácido nervónico.

Lípidos insaponificables compuestos o complejos

Eicosanoides: Son lípidos derivados de ácidos esenciales tipo omega 3 y omega 6. Dentro de este grupo se encuentran las prosta­ glandinas, tromboxanos y leucotrienos.

Funciones de lípidos Sus principales funciones son: energética, reserva de agua, produc­ ción de calor, estructural, informativa y catalítica.

El medio biológico es un medio acuoso. Las células, a su vez, están rodeadas por otro medio acuoso. Por tanto, para poder delimitar bien el espacio celular, la interfase célula-medio debe ser hidrofóbi­ ca. Esta interfase está formada por lípidos de tipo anfipático, que tienen una parte de la molécula de tipo hidrofóbico y otra parte de tipo hidrofílico. En medio acuoso, estos lípidos tienden a autoes­ tructurarse formando la bicapa lipídica de la membrana plasmática que rodea la célula.

169

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

Función informativa Los organismos pluricelulares han desarrollado distintos sistemas de comunicación entre sus órganos y tejidos. Así, el sistema endó­ crino genera señales químicas para la adaptación del organismo a circunstancias medioambientales diversas. Estas señales reciben el nombre de hormonas. Muchas de estas hormonas (esteroides, prostaglandinas, leucotrienos, calciferoles, etc.) tienen estructura lipídica. Estos enlaces llevan a páginas con información sobre el uso de esteroides anabolizantes en la práctica deportiva.

Función catalítica Hay una serie de sustancias que son vitales para el correcto funcio­ namiento del organismo, y que no pueden ser sintetizadas por éste. Por tanto, deben ser necesariamente suministradas en su dieta. Es­ tas sustancias reciben el nombre de vitaminas. La función de mu­ chas vitaminas consiste en actuar como cofactores de enzimas (proteínas que catalizan reacciones biológicas). En ausencia de su cofactor, el enzima no puede funcionar, y la vía metabólica queda interrumpida, con todos los perjuicios que ello pueda ocasionar. Ejemplos son los resinoides (vitamina A), los tocoferoles (vitami­ na E), las naftoquinonas (vitamina K) y los calciferoles (vitamina D).

A los aminoácidos que pueden sintetizarse en el propio organis­ mo se les conoce como no esenciales y son: alanina, prolina, glici­ na, serina, cisteína, asparagina, glutamina, tirosina, ácido aspártico, ácido glutámico, selenocisteína y pirrolisina.

Tipos de estructura Las proteínas presentan las siguientes estructuras:

Estructura primaria Es la forma de organización más básica de las proteínas. Este tipo de estructura está determinada por la secuencia de aminoácidos de la cadena proteica.

Estructura secundaria Es la que adopta espacialmente. Existen ciertas estructuras repetiti­ vas encontradas en las proteínas que permiten clasificarlas en dos tipos: hélice alfa y lámina beta.

Aminoácidos Es aquella macromolécula natural formada con un grupo amino (–NH2) y un grupo carbonilo (–COOH), Los aminoácidos más frecuentes y de mayor interés son aquellos que forman parte de las proteínas. Todos los aminoácidos componentes de las proteí­ nas son L-alfa aminoácidos. Se debe a que el grupo amino (–NH2) está unido al carbono contiguo al grupo carboxilo (COOH, carbono alfa), es decir, que tanto el carboxilo como el amino están unidos al mismo carbono; además, a este carbono alfa se unen un hidrógeno y una cadena lateral o radical alquil (R) de estructura variable, que determina la identidad y las propieda­ des de cada uno de los diferentes aminoácidos. Existen cientos de radicales por lo que se conocen cientos de aminoácidos diferen­ tes, pero sólo 22 forman parte de las proteínas y tiene codones específicos en el código genético. La unión de varios aminoáci­ dos da lugar a cadenas llamadas péptidos o polipéptidos, que se denominan proteínas. A los aminoácidos que deben ser captados como parte de los ali­ mentos y no pueden ser sintetizados por el organismo se les de­ nomina esenciales. La carencia de este aminoácido en la dieta limita el desarrollo del organismo, ya que no es posible reponer las células de los tejidos que mueren o crear tejidos nuevos, en el caso del crecimiento. Para el ser humano los aminoácidos esenciales son: valina, leucina, treonina, lisina, triptófano, histidina, fenilalani­ na, isoleucina, arginina, metionina. 170

Figura 3.51

Figura 3.52

Estructura terciaria Es aquella que define la estructura de las proteínas compuestas por un solo polipéptido. La estructura terciaria es plegada y completa en tres dimensiones de la cadena polipeptídica. A diferencia de la estructura secundaria, la terciaria es específica de cada molécula, además, determina su función.

Estructura cuaternaria Se presenta cuando hay más de una cadena polipeptídica. Con va­ rias cadenas polipeptídicas, la estructura cuaternaria representa su interconexión y organización.

Grupo Editorial Patria ® n Las histonas, forman parte de los cromosomas que regulan la

expresión de los genes.

Otras proteínas confieren elasticidad y resistencia a órganos y tejidos: n El colágeno del tejido conjuntivo fibroso. n La elastina del tejido conjuntivo elástico. n La queratina de la epidermis.

Función enzimática Las proteínas con función enzimática son las más numerosas y es­ pecializadas. Actúan como biocatalizadores de las reacciones quí­ micas del metabolismo celular. Figura 3.53

Figura 3.54

Clasificación: globulares y fibrosas Las proteínas pueden clasificarse en tres grupos, en función de su forma y su solubilidad: n Proteínas

fibrosas: tienen una estructura alargada, formada por largos filamentos de proteínas, de forma cilíndrica. No son solubles en agua: Un ejemplo de proteína fibrosa es el colágeno.

n Proteínas

globulares: tienen una naturaleza más o menos esférica. Debido a su distribución de aminoácidos (hidrófobo en su interior e hidrófilo en su exterior) que son muy solubles en las soluciones acuosas. La mioglobina es un claro ejemplo de las proteínas globulares.

n Proteínas

de membrana: son aquellas que se encuentran asociadas con las membranas lipídicas. Estas proteínas de membrana que están embebidas en la bicapa lipídica, poseen grandes aminoácidos hidrófobos que interactúan con el entorno no polar de la bicapa interior. Las proteínas de mem­ brana no son solubles en soluciones acuosas: Un ejemplo de estas proteínas es la rodopsina.

Funciones de las proteínas Las proteínas determinan la forma y estructura de las células y diri­ gen casi todos los procesos vitales. Las funciones de las proteínas son específicas de cada una de ellas y permiten a las células mantener su integridad, defenderse de agentes externos, reparar daños, controlar y regular funciones, etc. Presentan las siguientes funciones:

Función estructural Algunas proteínas constituyen estructuras celulares: n Ciertas glucoproteínas forman parte de las membranas celula­

res y actúan como receptores o facilitan el transporte de sus­ tancias.

Función hormonal Algunas hormonas son de naturaleza proteica, como la insulina y el glucagón (que regulan los niveles de glucosa en sangre) o las hor­ monas segregadas por la hipófisis como la del crecimiento o la adrenocorticotrópica (que regula la síntesis de corticosteroides) o la calcitonina (que regula el metabolismo del calcio).

Función reguladora Algunas proteínas regulan la expresión de ciertos genes y otras re­ gulan la división celular (como la ciclina).

Función homeostática Algunas mantienen el equilibrio osmótico y actúan junto con otros sistemas amortiguadores para mantener constante el pH del me­ dio interno.

Función defensiva n Las

inmunoglobulinas actúan como anticuerpos frente a po­ sibles antígenos. n La trombina y el fibrinógeno contribuyen a la formación de coágulos sanguíneos para evitar hemorragias. n Las mucinas tienen efecto germicida y protegen a las mucosas. n Algunas toxinas bacterianas, como la del botulismo, o vene­ nos de serpientes, son proteínas fabricadas con funciones defensivas.

Función de transporte n La hemoglobina transporta oxígeno en la sangre de los verte­

brados.

n La

hemocianina transporta oxígeno en la sangre de los inver­ tebrados.

n La mioglobina transporta lípidos por la sangre. n Los citocromos transportan electrones.

171

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

Función contráctil n La

actina y la miosina constituyen las miofibrillas responsa­ bles de la contracción muscular.

n La

dineína está relacionada con el movimiento de cilios y flagelos.

Función de reserva n La

ovoalbúmina de la clara de huevo, la gliadina del grano de trigo y la hordeína de la cebada, constituyen la reserva de ami­ noácidos para el desarrollo del embrión.

n La lactoalbúmina de la leche.

 3.9 Macromoléculas naturales En la actualidad es fundamental el estudio de las sustancias quími­ cas llamadas macromoléculas por su gran tamaño y peso. Se cono­ cen dos tipos de dichas moléculas: las naturales y las sintéticas. Dentro de las naturales se encuentran los carbohidratos, los lípidos y las proteínas, las cuales forman parte de los seres vivos. En el caso de las macromoléculas sintéticas, que son los polímeros, la adición y la condensación nos permiten adentrarnos en la obtención de sustancias, como el polietileno, hule, caucho, poliuretano, nylon, dacrón, polipropileno, policloruro de vinilo y muchas otras más que nuestra sociedad moderna demanda. La ciencia que estudia la naturaleza y el comportamiento de los carbohidratos, las grasas y las proteínas en los procesos metabóli­ cos de nuestro organismo para su adecuado funcionamiento es la bioquímica (del griego bios, vida). Esta ciencia también explica la función de las vitaminas y las enzimas.

Carbohidratos Los carbohidratos realizan muchas funciones vitales en los organis­ mos vivos, entre ellas conformar la estructura esquelética de plantas, insectos y crustáceos, y la estructura exterior de los microorganis­ mos. Asimismo, constituyen una importante reserva alimen­taria en los órganos de almacenamiento de las plantas, así como en el hígado y los músculos de los animales. Los carbohidratos son compuestos formados por carbo­no, hidrógeno y oxígeno, estos dos últimos ele­ mentos los tienen en la misma proporción que en el agua, es decir, dos átomos de hidrógeno por cada átomo de oxígeno. Son las fuen­ tes más importantes de energía en los organismos.

Fórmula general Los carbohidratos se conocen también como glúcidos o hidratos de carbono y se derivan de la fórmula general Cn(H2O)m. Dos ejemplos de carbohidratos con esta fórmula general, que puede ser escrita también como hidratos de carbono, son: 172

Figura 3.55 La función principal de los carbohidratos es aportar energía al organismo.

n Glucosa (azúcar de la sangre): C6H12O6, también puede escri­

birse como C6(H2O)6

n Sacorosa (tableta de azúcar): C12H22O11; también puede es­

cribirse como C12(H2O)11

No todos los carbohidratos se pueden escribir con esta fórmula general ya que algunos contienen menos átomos de oxígeno, de acuerdo con la fórmula señalada. El nombre carbohidrato (que sig­nifica hidrato de carbono) se basa en la relación de hidrógeno y oxí­geno. Sin embar­go, el término resulta equívoco, porque no exis­te agua como tal en un carbo­hidrato. Ac­ tualmente se definen los carbohidratos como derivados de polihi­ droxialdehídos o po­lihidroxicetonas. Un azúcar que contiene un grupo aldehídico se llama aldosa y uno que contiene un grupo cetónico se llama cetosa.

Clasificación de los carbohidratos Los carbohidratos o hidratos de carbono se basan en la relación de hidrógeno y oxígeno y se clasifican en: I. Monosacáridos II. Disacáridos III. Polisacáridos A continuación se explican cada uno de ellos. Monosacáridos. Son los azúcares más simples. Entre los más co­ nocidos tenemos la glucosa o dextrosa y la fructosa. La glucosa (C6H12O6), que también se llama dextrosa o azúcar de uva, se obtiene del jarabe de maíz. Está presente como uno de los principales azúcares en la miel y en el jugo de muchas plantas y fru­ tas. En los animales, la glucosa es un componente vital de la sangre, de manera que cuando las personas se encuentran en ayunas, con­

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H   H 2 C 2 OH   H 2 C 2 OH   H 2 C 2 OH H Gli­ce­rol

Disacáridos. Cuando dos moléculas de monosacáridos iguales o diferentes reaccionan con eliminación de una molécula de agua, se forma un disacárido.

H C5O H 2 C 2 OH H 2 C 2 OH H Gliceraldehído (aldosa) H H 2 C 2 OH C5O H 2 C 2 OH H Dihidroxiacetosa (cetosa)

Clasificación de los carbohidratos Carbohidratos

Triosas (C3H6O3) Pentosas I. Monosacáridos

(C5H30O5) Hexosas (C6H32O6)

II. Disacáridos (C12H22O12)

III. Polisacáridos

tiene alrededor de 90 miligramos de glucosa por cada 100 mL. Es un sólido cristalino, de sabor dulce y soluble en agua. Se usa para endulzar, es sustituto de la miel, se emplea en la elaboración de dul­ ces, carnes, jarabes, vinos, cerveza y en la producción de al­cohol etílico o etanol. Se halla en exceso en la orina de los diabéticos.

Ejemplos Aldosas: gliceraldehído Cetosas: dihidroxiacetona Aldosas: arabinosa xilosa ribosa Aldosas: glucosa galactosa

Sacarosa

Cetosas: fructosa Glucosa + fructosa

Maltosa

Glucosa + glucosa

Lactosa

Glucosa + galactosa Almidón

Hexosanos

Glucógeno

Glucosanos

Dextrina Celulosa Ácido hialurónico

IV. Mucopolisacáridos



C12 H22 O111H2O sacarosa

Clasificación

Pentosas

Condroitinsulfato Heparina

CH2OH

C O H H H C C OH H HO C C sacarosa C6 H12 O6 1 C6 H12 O6 H OH  glucosa  fructosa O CH2OH O C H OH C H C C CH2OH OH H 173

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

Una cetosa: Un disacárido:

Figura 3.56 La papa y el camote contienen almidón, sustancia que se obtiene exclusivamente de los vegetales y es con la que almacenan su alimento en las raíces.

La sacarosa (C12H22O11) es el azúcar de mesa (que proviene de la caña o de la remolacha), el cual se considera el compuesto de carbo­ no puro más barato en el comercio. Se forma en las plantas por la unión de dos monosacáridos: glucosa y fructosa. Es un sólido blan­ co, cristalino y soluble en agua. Se emplea en la fabricación de dulces, caramelos, conservas, jaleas, medicamentos, licores y jarabes. Polisacáridos. Son polímeros de aproximadamente 30 o más mo­ léculas de monosacáridos. Los tres polisacáridos más importantes son el almidón, el glucógeno y la celulosa. Están formados por lar­ gas cadenas de moléculas de glucosa. El almidón es la forma de almacenamiento más importante de car­ bohidratos en el reino vegetal. Es un sólido blanco, insoluble en agua fría y se dispersa en agua caliente (forma el engrudo). En las semillas de los cereales y en los tubérculos feculentos como la papa y el camote, se encuentra como material de reserva para la germi­ nación. Se emplea en lavanderías, en textiles, en la fabricación de jarabes, en alcohol, en pegamentos para ropa y papel.

Contesta ¿qué es? Una aldosa: Una hexosa: Una pentosa:

174

  Actividad formativa

Figura 3.57 Los carbohidratos son la principal fuente de energía del cuerpo. Existen dos tipos azúcares y almidones.



Actividad formativa

1. Escribe la fórmula de la sacarosa: 2. Los carbohidratos se clasifican en:

Funciones de los carbohidratos La principal función de los carbohidratos es aportar energía al or­ ganismo. Las plantas producen carbo­hidratos durante la fotosínte­ sis, proceso mediante el cual, utilizan­do energía solar, transforman el dióxido de carbono y el agua en carbohidratos y oxígeno. Los carbohidratos proporcionan la energía que necesita el organismo para realizar sus procesos y funciones vitales. Por ejemplo, mantie­ nen estable la temperatura del cuerpo y el funcionamiento del co­ razón para bombear sangre; también ayudan al hígado en el metabolismo de las sustancias nutritivas. El siguiente cuadro mues­ tra algunos carbohidratos.

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Carbohidratos fuente de energía Disacárido Sacarosa (glucosa + fructosa) Lactosa (glucosa + galactosa) Maltosa (glucosa + glucosa) Celobiosa (glucosa + glucosa) frutas, miel

Fuente Azúcar de caña, azúcar de remolacha Azúcar de la leche Almidón hidrolizado Celulosa hidrolizada

Monosacárido Glucosa Fructosa Galactosa

Fuente Sacarosa hidrolizada, lactosa, maltosa y celobiosa Sacarosa hidrolizada (frutas y miel) Lactosa hidrolizada

Los azúcares no sólo cumplen una fun­ción calórica. Algunos polisacáridos, en especial la celulosa, presente en vegetales y frutas, cumplen una misión de lastre y resultan imprescindibles para la función intes­ tinal, formando parte sustancial de las heces fecales al no ser absorbidos. En síntesis, las frutas y verduras no pueden ser sustituidas en la ración alimentaria por zumos o jugos elaborados. Algunas fuentes de carbohidratos para el hombre son: frutas, cereales (maíz, trigo, avena, sorgo, cebada, centeno), leguminosas (frijoles, lenteja, garbanzo, chícharo, haba); caña de azúcar, remolacha azucarera y leche. Cuando hay un consumo de carbohidratos mayor del necesario, se almacenan en el cuerpo en forma de glucógeno que se puede convertir en grasa. Su exceso puede contribuir a la obesidad.

Lectura Como ya se mencionó, los carbohidratos, glúcidos y azúcares son com­ puestos formados por carbono, hidrógeno y oxígeno, entre los cuales tenemos a la glucosa y la fructosa que al unirse forman la sacarosa (azúcar común). Los azúcares que se absorben por el tubo intestinal de las personas son muy pocos (concretamente tres: glucosa, fructosa y galactosa) y pueden ser sustituidos entre sí. Las necesidades diarias son las siguientes: Niños de 2 a 4 años Niños de 4 a 6 años Niños de 7 a 10 años Niños de 11 a 16 años Adultos

100-200 g 200-300 g 300-400 g 400-450 g 500 g



Actividad experimental

Formen equipos de cuatro o cinco compañeros. Realicen la siguiente actividad y contesten las preguntas correspondientes. Elaboren un informe escrito y expónganlo ante el resto del grupo.

Acción de las levaduras Los alimentos se pudren debido al desarrollo de los mohos. Sin embargo, no todos los microorganismos son perjudiciales; algunos son muy útiles y se emplean incluso en la industria para la fabricación de alimentos. Material n azúcar

n 

1 tubo de vidrio en U

n agua

n 

1 probeta

n levadura de pan

n  1 botella de vidrio con tapón de corcho

n agua de cal

n 

1 vaso de precipitados

n 1 hoja de afeitar

n 

1 olla

Procedimiento 1. Coloquen en el vaso de precipitados unos 50 g de azúcar y agreguen 200 mL de agua. 2. Agiten el vaso hasta que se disuelva totalmente el azúcar. 3. Tomen unos 10 g de levadura y córtenla tanto como puedan con la hoja de afeitar. Tengan mucho cuidado al cortar. 4. Añadan los trozos de la levadura al vaso de precipitados y agítenlo con suavidad. 5. Viertan el contenido a la botella y tápenla con el tapón de corcho (al que previamente le habrás hecho un agujero e insertado el tubo en U). Figura 3.58 El consumo de carbohidratos es básico para un buen desarrollo.

6.  Llenen la probeta con agua de cal (disolución saturada de hidróxido de calcio en agua) e introduzcan en ella el extremo libre del tubo.

175

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

7. Dejen reposar todo durante dos o tres días en un lugar caliente (25-30 ºC). Destapen el recipiente.



¿Por qué?

¿Qué observan?

¿Qué influencia tiene la temperatura en la actividad de la levadura?



¿A qué huele?



¿Qué pasó con las porciones que no tenían levadura?

17. Introduzcan todas las porciones en el horno, previamente calentado a unos 120 ºC, durante 30 o 40 minutos.

¿Qué reacción ocurrió?

18. Saquen las porciones, déjenlas enfriar y córtenlas por la mitad. Una vez cocidas, ¿crecieron las porciones por igual?

8. Mezclen en la olla la harina y la sal. 9. Amasen bien hasta formar una pasta. 10. Separen la pasta en seis porciones.



¿Por qué?



¿Qué diferencia hay en la textura del pan de las diferentes piezas?

11. A tres de las porciones añadan la levadura y dejen las otras sin levadura. 12. Coloquen cada una de las porciones en un plato y numeren las seis porciones con etiquetas. 13. Tápenlas con un trapo de cocina limpio. 14. Coloquen dos porciones cerca de la estufa o detrás del refrige­ rador. 15. Coloquen otras dos a temperatura ambiente y las dos últimas en el congelador del refrigerador. 16. Al cabo de 30 minutos examinen el contenido de los seis platos. ¿Ha aumentado la masa en todos los casos por igual?

176

Conclusiones:

Grupo Editorial Patria ®

Lípidos Esta clase de compuestos orgánicos lo constituyen las grasas y aceites y ambos se agrupan bajo el término general de lípidos, los cua­ les son constituyentes esenciales de prácticamente todas las células animales y vegetales. En el cuerpo humano se con­cen­tran  en  las membranas ce­lu­la­res, en el ce­rebro y en el tejido nervioso. El término lípido lo propuso el bioquímico Bloor para dar nombre al grupo de sustancias insolubles o casi inso­lubles en agua, pero solubles en disolventes, como éter, cloroformo, disulfuro de carbono, alcohol caliente, et­cétera.

Tipos de lípidos Lípidos

Aceites vegetales y grasas animales Ésteres de ácidos grasos de glicerol Lípidos simples

1. L  ípidos simples: Comprenden los lípidos más abundantes, grasas o triglicéridos, y las ceras que son menos abundantes. 2. L  ípidos compuestos: Son los fosfolípidos que contienen fósforo y los galactolípidos que contienen galactosa. 3. Lípidos derivados: Son los esteroides, los terpentenos y las vi­ taminas, entre otros, que son producidos por las células vivas. Las verdaderas grasas (si son líquidas a temperaturas ordinarias, se llaman aceites) son las más abundantes de todos los lípidos.

Ceras de frutas y verduras Ceras de colesterol, hormonas sexuales Esteroides Lípidos localizados en los tejidos nerviosos

Fosfolípidos

Químicamente los lípidos están formados por tres elementos princi­ pales: carbono, hidrógeno, oxígeno y, a veces, nitrógeno y fósforo. Bloor dividió los lípidos en tres clases:

Fuentes

Lecitinas Cefalinas Fosfatidilserinas

Esfingolípidos

Lípidos localizados en el tejido cerebral Esfingomielinas

Las ceras también pertenecen al grupo de los lípidos; por ejemplo, la cera de las abejas, el esperma de ballena, así como la lanolina o grasa de lana empleadas en perfumería y en medicina para la elabo­ ración de cremas, ungüentos y pomadas.

Los aceites son untuosos al tacto, solubles en éter y cloroformo e insolubles en agua. Los ácidos grasos saturados como el palmítico y el esteárico, así como las mantecas y los sebos, son grasas sólidas.

Las grasas proporcionan energía, son fundamentales para la forma­ ción de algunas hormonas y mantienen la actividad del sistema ner­ vioso; sin embargo, el consumo excesivo de estas sustancias produce obesidad. Los lípidos o grasas se presentan en dos procesos químicos importantes: la hidrólisis y la saponificación.

Los ácidos no saturados como el oleico y las grasas que forman como los aceites de ricino, oliva, ajonjolí, cártamo, cacahuate y coco, son grasas líquidas.

La hidrólisis es el proceso que consiste en agregar agua a un éster para obtener un ácido orgánico más un alcohol. En la hidrólisis se obtiene glicerina y ácido graso en presencia de algún catalizador y

Figura 3.59 Las grasas lípidos representan una fuente de energía, ya que un gramo de éstos proporciona 9 kilocalorías.

Figura 3.60 La obtención de jabón es una de las síntesis quimicas más antiguas, se producía hirviendo sebo de cabra.

177

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

agua. Los cuadros que aparecen más adelante proporcionan más información acerca de las grasas. La saponificación es el proceso mediante el cual las grasas reaccio­ nan con la sosa o hidróxido de sodio (NaOH) para obtener jabones, que se definen como sales metálicas de ácidos grasos. La saponificación de una grasa puede representarse así:

O CH2 2O 2C 2C17H35 CH2OH  O O CH 2O 2C 2C17H35  3 NaOH   CHOH    3 C17H35C 2 ONa  O Estearato de sodio (jabón) CH 2O 2C 2C17H35 CH2OH Glicerol

Triestearina

Ácidos grasos saturados importantes que existen en grasas naturales

Ácidos grasos saturados importantes que existen en grasas naturales

Nombre

Fórmula

Átomos de carbono

Se encuentra en

Nombre

Fórmula

Átomos de carbono

Se encuentra en

Butírico

C3H7COOH

4

Grasa de mantequilla

Palmitoleico

C15H29COOH

16 D 9

Grasa de mantequilla

Caproico

C5H11COOH

6

Grasa de mantequilla

Oleico (1 5 )*

C17H33COOH

18 D 9

Aceite de oliva

Caprílico

C7H15COOH

8

Aceite de coco

Linoleico (2 5)

C17H31COOH

18 D 9, 12

Aceite de semilla de lino

Cáprico

C9H19COOH

10

Aceite de semilla de palma

Linoleico (3 5)

C17H29COOH

18 D 9, 12, 15

Aceite de semilla de lino

Láurico

C11H23COOH

12

Aceite de coco

Araquidónico (4 5)

C19H31COOH

20 D 5, 8,11,14

Lecitina

Mirístico

CH3(CH2)12COOH

14

Aceite de nuez moscada

Palmítico

CH3(CH2)14COOH

16

Grasas animales y vegetales

Esteárico

CH3(CH2)16COOH

18

Grasas animales y vegetales

Araquídico

CH3(CH2)18COOH

20

Aceite de cacahuate

178

* Número de dobles enlaces. Δ9 = doble enlace entre carbonos 9 y 10. Δ12 = doble enlace entre carbonos 12 y 13. Δ15 = doble enlace entre carbonos 15 y 16. Δ11 = doble enlace entre carbonos 11 y 12. Δ14 = doble enlace entre carbonos 14 y 15.

Grupo Editorial Patria ®

  Actividad formativa

1. ¿Cuál es la diferencia entre un jabón y un detergente?

  Actividad formativa 1. Escribe el nombre y la fórmula de los tres ácidos grasos más comunes:

2. ¿Qué es un cerebrósido? 2. ¿Qué sabor tiene la mantequilla cuando se enrancia? 3. Escribe el nombre de las hormonas sexuales femeninas: 3. Escribe el nombre y la fórmula de una grasa y un aceite a temperatura ambiente: 4. Escribe el nombre de las hormonas sexuales masculinas:



Composición (%) promedio de los ácidos grasos Grasa o aceite

Ácido mirístico

Ácido palmítico

Ácido esteárico

Ácido oleico

Ácido linoleico

Otros

Grasas animales Mantequilla

8-15

25-29

9-12

18-33

2-4

3,4 butírico

Manteca

1-2

25-30

12-18

48-60

6-12

1,3 palmitoleico

Unto bovino

2-5

24-34

15-30

35-45

1-3

1,3 palmitoleico

Aceites vegetales Olivo

0-1

5-15

1-4

67-84

8-12

0,1 Palmitoleico

Cacahuate

—

7-12

2-6

30-60

20-38

Palmitoleico

Maíz

7-11

7-11

3-4

25-45

50-60

Palmitoleico

Semilla de algodón

1-2

18-25

1-2

17-38

45-55

Palmitoleico

Soya

1-2

6-10

2-4

20-30

50-58

4,8 linolénico

Semilla de linaza

—

2-4

14-30

14-25

25,26 linolénico

Cártamo

—

1-5

14-21

73-78

Aceites marinos Ballena

5-10

Pescado

6-8

2-5 10-25

1-3

34-40 Lecitina

179

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

Actividad experimental

Formen equipos de cuatro o cinco compañeros. Realicen la siguiente actividad y contesten las preguntas correspondientes. Elaboren un informe escrito y expónganlo ante el resto del grupo.

Reblandecimiento de la celulosa Propósito Reblandecer la celulosa contenida en una calabaza. Material n 1 calabaza

n cuchillos afilados

n bicarbonato de sodio

n 3 cazuelas pequeñas

n vinagre Procedimiento 1. Pelen y limpien una calabaza y córtenla en cubos de 2 cm de lado. 2. Hagan tres pares iguales de los cubos, colóquenlos en las cazuelas y cúbranlos de agua. 3. Añadan a la primera cazuela una cucharada de vinagre y a la segunda una de bicarbonato, la tercera déjenla sólo con agua. 4. Coloquen las cazuelas al fuego y dejen que hierva el agua mientras anotan sus observaciones. Tengan mucho cuidado con el fuego. 5. Cada dos minutos saquen un trozo de calabaza y observen si se ha reblandecido, para ello utilicen un tenedor. Contesten las siguientes preguntas: 1. ¿En qué cazuela se ablandó primero la calabaza?

2. ¿Por qué?

3. ¿Qué aplicación le podrían encontrar a este resultado para la cocción de las verduras?

Conclusiones:

180

Funciones Grasas o lípidos Las grasas forman un capítulo muy im­ portante en la alimentación. El hombre cubre sus necesidades calóricas si su die­ ta contiene de 30% a 40% de grasas. Se calcula que un niño de dos a cuatro años necesita diariamente unos 30 g de gra­ sas; mientras que el adulto no debe so­ brepasar los 75 g, de los cuales la mitad debe corresponder a la grasa empleada en la preparación y condimentación de los alimentos (acei­tes, margarina, mante­ quilla, etc.). Sin embargo, la grasa “invisi­ ble” de cier­ tos alimentos (quesos, chocolate, carne picada, embutidos, sal­ chichas, nueces, aceitunas, entremeses, dulces de nata, café con leche, bombo­ nes, entre otros) adquiere tal importan­ cia en la nutrición humana que las cifras óptimas son fácilmente rebasadas.

Proteínas La química de las proteínas es más com­ pleja que la de los carbohi­dratos y lípi­ dos. Las proteínas ya se reconocen como constituyentes esen­ ciales del protoplasma. Se señala que el compues­ to más importante que constituye a los organismos vivos es la proteína (del griego proteios, que significa primero); así lo mencionó Berzelius, asesoró a Jo­ hanes Mulder en su análisis de proteínas en 1838. Estos compuestos nitrogena­ dos son los sólidos más abundantes en el protoplasma celular. El núcleo celular, Figura 3.61 uno de los componentes del protoplas­ ma, contiene proteínas (nucleoproteí­ nas) que están relacionadas con la división celular y con la herencia. Otra parte, el citoplasma celular, contiene un millar, o más, de proteí­ nas distintas, denominadas enzimas, que catalizan los múltiples cam­ bios químicos que se requieren para el mantenimiento celular. Además, los animales, plantas y microbios producen enzimas extrace­ lulares que descomponen la dieta compleja de proteínas, lípidos y carbohidratos para simplificar los nutri­cios, que son absorbidos con fa­cilidad y utilizados por la célula. Las proteínas son también compo­ nentes principales de la sangre, de los tejidos epiteliales y co­ nectivos en los animales y, cuando se ingieren en exceso, actúan

Grupo Editorial Patria ® como una fuente de energía y de gra­ sa. En las semillas de muchas plan­ tas, las proteínas se almacenan como una reserva de “amino­ácidos” y ener­ gía. Es poco probable que pueda rea­ lizarse al­gu­na  reacción química en los tejidos vivos sin la participación de las proteínas.

Aminoácidos Las proteínas son polímeros de ele­ vado peso molecular de un grupo de monómeros de bajo peso molecular llamados aminoá­cidos. Estas susFigura 3.62 tan­cias contienen dos grupos funcio­ El adn es un polímero nales: amino (NH2) y carboxilo compuesto formado por (COOH). Los aminoácidos indis­ muchas unidades simples pensables que deben incluirse en conectadas entre sí. la alimentación son: lisina, leucina, fenilalanina, valina, metionina, treo­ nina, isoleucina, histidina, arginina y triptófano. Las proteínas for­ man parte estructural de músculos, sangre, enzimas, piel, arterias, huesos, hormonas, pelo, uñas, plumas, cuernos, entre otros, del ser humano y de los animales. También se encuentran en los órganos

Nucléolo Núcleo Citoplasma

de plantas y microorganismos. Todas las proteínas son importan­ tes por su carácter indispensable en múltiples funciones vitales. Los cinco elementos que existen en la mayor parte de proteínas na­ turales son carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y azufre. Hay una amplia variación en la cantidad de azufre de las proteínas. La gelatina, por ejemplo, contiene aproximadamente 0.2%, en con­ traste con 3.4% en la insulina. Otros elementos como fósforo, yodo y hierro pueden ser constituyentes esenciales de algunas proteínas especializadas. La caseína, la proteína principal de la leche, contie­ ne fósforo, elemento de importancia esencial en la dieta de lactan­ tes y niños. El yodo es un componente básico de la proteína en la glándula tiroides; existe en las esponjas y el coral. La hemoglobina de la sangre, necesaria para la respiración, es una proteína que con­ tiene hierro. La mayor parte de proteínas muestran pocas variacio­ nes en su composición elemental; el contenido promedio de los cinco principales elementos es el siguiente: Elemento

Promedio (%)

Carbono

53

Hidrógeno

7

Oxígeno

23

Nitrógeno

16

Azufre

1

Aparato de Golgi Savia celular conenida en la vacuola

Retículo endoplásmico rugoso

Pared celular Ribosoma Membrana celular

Cromoplasto

Mitocondria

Vacuola

Citoplasma

Cloroplasto

Retículo endoplásmico liso

Figura 3.63 La célula es la unidad morfológica y funcional de todo ser vivo.

181

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

El contenido relativamente elevado de nitrógeno distingue las pro­ teínas de las grasas y carbohidratos. Las moléculas de las proteínas son muy voluminosas, por ejemplo, la fórmula de la oxihemoglobi­ na es: C2932H4724N828S8Fe4O840; por tanto, su peso molecular sería de aproximadamente 68 000 g/mol. La albúmina de la clara de huevo tiene un peso molecular de 34 500 g/mol. En promedio las proteínas varían su peso molecular entre 34 500 y 50 000.

Material

n ½

taza de azúcar

n 

4 moldes de flan



n 1

pizca de sal

n 

1 olla de peltre grande



n 3

huevos

n 

1 olla de peltre pequeña



n 2

tazas de leche

n 

1 batidora



n 1

cucharadita de vainilla

n 

tazas para medir

Procedimiento

Funciones de las proteínas

1. Mientras el horno se calienta a 100 ºC, batan el azúcar, la sal, el ex­tracto de vainilla con la leche y los huevos.

Tipos de proteínas

Funciones y localización

Estructurales (insolubles en agua) Colágenos

Tejido conjuntivo

Elastinas

Tendones y arterias

Miocinas

Tejidos musculares

Queratinas

Pelo y uñas

Globulares (se pueden dispersar en disoluciones acuosas)

2. Viertan la mezcla en los cuatro moldes a partes iguales. 3. Coloquen los moldes en la olla y llénenla con agua hasta una altura de 3 cm (esto se hace para que la parte inferior de los moldes no se caliente más que el resto). 4. Coloquen la olla en el horno. 5. Esperen 30 minutos y entonces saquen un flan. 6. Saquen el siguiente flan a los 40 minutos, y el siguiente a los 50 y el último a los 60. Un flan bien hecho es suave, brillante y amarillo y se corta de manera limpia cuando se le introduce la cuchara. No queda ni rastro del agua, huevo y la leche. Contesten las siguientes preguntas:

Albúminas

Sangre

Globulinas

Toman parte en el transporte del oxígeno a todo el cuerpo (hemoglobina) y en la defensa del organismo contra las enfermedades (gammaglobulina)

¿Qué flan está mejor preparado?

Conjugadas (complejos de proteínas enlazadas a otras moléculas)

¿Por qué?

¿Cuál tiene más líquido?

Nucleoproteínas

Proteínas y ácidos nucleicos

Lipoproteínas

Proteínas y lípidos

Fosfoproteínas

Proteínas y compuestos fosforados

Cromoproteínas

Proteínas y pigmentos (es decir, hemoglobina)

¿Por qué?

¿Qué diferencia encuentras entre un bistec, un huevo y la masa del pan antes o después de cocidos?

Actividad experimental

Formen equipos de dos o tres com­pañeros o compañeras y realicen la siguiente actividad experimental. Sigan las instrucciones, contesten las preguntas correspondientes y elaboren un informe escrito donde anali­ cen los resultados y presenten conclusiones. Comparen sus respuestas con otros compañeros de grupo.

Elaboración de un flan Propósito Observar la coagulación de las proteínas.

182

Conclusiones:

Grupo Editorial Patria ®

  Actividad formativa

  Actividad formativa

Formen equipos con dos o tres compañeros y realicen la siguiente ac­ tividad, contesten las preguntas y anoten sus conclusiones.

Formen equipos con dos o tres compañeros y realicen la siguiente actividad, contesten las preguntas y anoten sus conclusiones.

Huevos fritos o estrellados con alcohol

Congelación de frijoles tiernos

Propósito

alcohol etílico

La congelación y la desecación son técnicas que se basan en la eliminación del agua líquida imprescindible para que puedan desarrollarse los agentes que causan la putrefacción. Los pueblos antiguos que contaban con hielo o nieve, usaron la congelación para conservar los alimentos. En la actualidad para nosotros es mucho más fácil y cómodo emplear este método gracias a los congeladores modernos.

1 plato de cristal

Material

Procedimiento

1/2 kilo de frijoles tiernos 1 cuchillo bolsas de plástico herméticas

Observar la coagulación por agentes químicos. Material 2 huevos

Coloca un poco de alcohol en el plato, rompe los huevos y viértelos dentro del plato con alcohol (igual como harías si quisieras disponerte a freír un par de huevos en una sartén). Conclusiones:

1 cacerola 1 paño de cocina limpio 1 coladera

Procedimiento 1. Laven los frijoles y colóquenlos en agua hirviendo. Tengan cuidado con el fuego. 2.  Remuévanlos, esperen a que el agua hierva de nuevo y manténgan­los tres minutos en ebullición. 3. Sáquenlos del fuego y escúrranlos. 4. Extiéndanlos sobre el trapo de cocina y guárdenlos en bolsas cerra­ das de manera hermética. 5. Métanlos en el congelador que debe estar a −25 ºC. Preguntas



  Actividad formativa

1. ¿Por qué creen que es necesaria esta temperatura tan baja (−25 ºC) si el agua se congela a 0 ºC?

¿Cuáles son los cinco principales elementos que contienen las proteínas? 2. ¿Por qué un alimento descongelado debe consumirse con la misma rapidez que uno fresco? ¿Cuál es elemento más abundante en las proteínas y en qué porcentaje?

¿Cuál es el elemento menos abundante en las proteínas y en qué porcentaje?

3. ¿Cómo se explican que, a veces, al descongelar la carne desprenda un líquido sanguinolento? 4. Además de solidificar el agua líquida, ¿qué otro efecto creen que puedan tener las bajas temperaturas para impedir el desarrollo de los microorganismos?

5. Elaborar un reporte escrito de la actividad realizada y presentar ante el grupo los resultados.

183

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

Conclusiones:

térmica media de 130 watts. En su digestión, el hombre “quema” sus alimentos, degrada los enlaces químicos. Por otra parte, estimamos que la potencia mecánica humana es de 30 watts; por tanto, deducimos que el rendimiento es solamente de 20%. ¿Qué pasa con el 80% restante? Dado que el cuerpo se mantiene a una temperatura fija de 37 °C, cual­ quiera que sea la temperatura exterior, el hombre intercambia calorías a través de su piel y sus pulmones; éstas son las pérdidas térmicas que utilizan el resto de la potencia ingerida. Resulta lógico, pues, que sea necesario comer copiosamente mientras el cuerpo está expuesto al frío, ya que el cuerpo cede muchas calorías al medio ambiente.

Lectura

Requerimientos nutricionales La alimentación humana normal incluye un potencial calorífico del orden de 3 000 kilocalorías diarias, lo que corresponde a una potencia

  Actividad formativa

Completa el siguiente mapa conceptual. Macromoléculas naturales

Pueden ser moléculas poliméricas de

184

Carbohidratos

Lípidos

Proteínas

Se definen como

Se definen como

Se definen como

Ejemplos

Ejemplos

Ejemplos

Grupo Editorial Patria ®

Actividad experimental

Formen equipos de cuatro o cinco compañeros. Realicen la siguiente actividad y contesten las preguntas correspondientes. Elaboren un informe escrito y expónganlo ante el resto del grupo.

Preparación de los activos necesarios

Fécula de los embutidos

Procedimiento

Si colocamos harina en el fondo de un plato y le añadimos un poco de agua, la harina crece porque se hinchan los granos de almidón. Cuando reposan se convierten en un papilla viscosa que es lo que llamamos fécula.

1. Trituren aproximadamente 2 g de jamón en el molinillo o mortero. 2. Lo que obtengan pásenlo a un tubo de ensayo grande y añadan 15 mL de agua destilada.

PRIMER PROCEDIMIENTO

4. Una vez frío añádanles 4 gotas de reactivo yodo/yoduro.

Material

5. ¿Qué se observa?

Solución de yodo/yoduro: pesen 1 g de yodo y 0.5 g de yoduro potasio, júntenlos y agréguenles 100 cm3 de agua destilada.

3. Pónganlos a hervir durante 5 minutos y déjenlos enfriar. Tengan cui­dado con el fuego.

n blanqueador n tinta

de yodo

n rebanadas n paté

de jamón de distintas calidades

de distintas calidades

Nota: Es imprescindible que el tubo esté frío antes de añadir el reactivo, porque en caliente la reacción no ocurre. Asimismo, es necesario preparar el reactivo yodo/yoduro inmediatamente antes de hacer la prueba.

n platos n vasos

pequeños

Procedimiento

Contesten las siguientes preguntas:

1. Coloquen las rebanadas de jamón (cuanto más delgadas mejor) y el paté en los platos. Anoten el origen y el precio de cada uno.

¿Por qué creen que se añade fécula a los embutidos?

2. Cubran con blanqueador tanto el jamón como el paté y dejen que actúe el tiempo necesario para decolorar las muestras (de uno a cinco días).

¿Qué desventajas tiene la fécula para el consumidor?

3. Tiren el blanqueador y laven las muestras con pintura de yodo y dejen que ésta actúe durante cinco minutos. Todas las manchas rosadas que aparezcan en el jamón o en el paté son féculas. Conclusiones:

¿Han hecho la prueba con varias clases de jamón y de paté?

¿Son los más caros los que tienen menos fécula?

Conclusiones: SEGUNDO PROCEDIMIENTO Material n jamón n yoduro

n 1

de potasio sólido

n yodo

en escamas

n agua

destilada



vaso de vidrio

n molinillo

n tubos

eléctrico o mortero

de ensayo grandes

185

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

Ácidos nucleicos Los ácidos nucleicos son moléculas gigantes (polímeros), que con­ tienen, como los monómeros o “compuestos fundamentales” ciertos monosacáridos, purinas, piridinas y ácido fosfórico. Hay dos clases de ácidos nucleicos: ácido desoxirribonucleico (denominado adn) y ácido ribonucleico (arn). El adn se encuentra siempre en el núcleo de las células, mientras que el arn se puede hallar en el núcleo, pero principalmente en el citoplasma celular. Una escasa proporción del adn y del arn se encuentra en forma li­ bre. Están combinados con proteínas específicas. Así se forman nu­ cleoproteínas adn que suelen contener de 40 a 60 % de ácido nu­cleico y el resto es proteína. La unión del ácido nucleico con la pro­ teína es parecida a la de una sal, y se disocia fácilmente (por ejem­plo, los dos componentes se pueden separar haciendo pasar una corrien­ te eléctrica a través de una disolución de una nucleoproteína adn). Las nucleoproteínas arn suelen contener de 5 a 20% de ácido nucleico. Una excepción son las manchas anulares del virus del ta­ baco, que contienen 40% de ácido nucleico. El enlace del ácido nuclei­ co con la proteína, probablemente, no es de tipo salino en las nucleo­proteínas arn, sino un tipo más estable, un tipo covalente, me­ nos disociable. Para separar el ácido nucleico de la proteína se debe, o bien destruir la proteína (por desnaturalización o digestión enzimá­ tica) o recuperar la proteína. Ejemplos característicos de nucleo­ proteínas adn y arn se encuentran en la tabla de la siguiente columna: Los pesos moleculares de estas moléculas gigantes están entre 2 y 40

millones. La pre­sencia de una proteína del tipo histona o protamina en la mayoría de las nucleoproteínas adn se debe tomar en cuenta para el enlace del tipo salino entre el ácido nucleico y la proteína, pues estas proteínas son realmente básicas. La naturaleza del componente proteínico de las nucleoproteínas arn no ha sido aún determinada. Cuando la parte del ácido nucleico de las nucleoproteínas adn o arn se separa de la parte proteínica, se ha encontrado que el adn y el arn y son químicamente muy semejantes. Ambos constan de una larga cadena de monosacáridos unidos por enlaces de fosfato. Unidas a los azúcares, como grupos laterales, se encuentran purinas o pirimidinas.

Composición de nucleoproteínas Origen

Ácido nucleico (%)

Proteínas (%)

Núcleos del timo de ternera

adn –

60

Histona – 40

Núcleos del hígado

adn –

5

Lipoproteína – 95

Cabezas de espermatozoides (pez)

adn –

60

Protamina – 40

Fracción cromosómica del timo de ternera

arn –

11

No estudiada

Nucleoproteína de los ribosomas

arn –

50

No clasificada – 50

Virus del mosaico del tabaco

arn –

6

No clasificada – 94

Manchas anulares del virus del tabaco

arn –

40

No clasificada – 60

Actividad transversal

Preservación del ambiente Instrucciones: Lee el siguiente texto y contesta las preguntas planteadas al final. Anota tus conclusiones.

Biodiversidad México es privilegiado por la biodiversidad de sus ecosistemas. Esta diversidad, la mayor de América Latina, viene de su ubicación en la zona media de las regiones árticas y tropicales del continente. Un porcentaje importante de las especies localizadas en nuestro territorio sólo se encuentran aquí. Las amenazas contra la biodiversidad vienen de la degradación ambiental, la explotación desmedida a irracional de los recursos, la ineficacia gubernamental y la escasa conciencia ambiental.

186

Grupo Editorial Patria ®

Lo antes dicho se ejemplifica en el riesgo que se cierne sobre los animales que simbolizan a la nación (ver el cuadro siguiente)

Conclusiones:

 

Situación de animales mexicanos emblemáticos, 2001

 

Animal

Estado

Águila Real

Amenazado

Jaguar

En peligro de extinción

Ajolote (Pátzcuaro)

Protección especial

Guacamaya Roja

En peligro de extinción

1. Explica por qué cada uno de los siguientes nombres es in­correcto de acuerdo con la iupac. Escribe el nombre correcto.

Lobo mexicano

Probablemente extinta

a) 1,3-Dimetilbutano

e) 2-Propilpentano

Vaquita marina

En peligro de extinción

b) 4-Metilpentano

f) 2,3-Dietilheptano

c) 2,2-Dietilbutano

g) 2,2-Dimetilciclopropano

d) 2-Etil-3-metilpentano

h) 1-Etil-5-metilciclohexano

Fuente. Conabio, 2006 (Comisión Nacional para el Conocimiento y uso de la Biodiversidad).

Preguntas 1. ¿Qué harías para preservar las especies que están en peligro de extinción mencionadas en el cuadro anterior?

  2. ¿Por qué lo realizarías en la forma señalada en la pregunta anterior?

 



Actividad formativa

2. Escribe la fórmula estructural o semidesarrollada para los siguientes alquenos y alquinos: a) trans-2-Metil-3-hexeno

g) 3-Cloropropeno

b) 2-Metil-3-hexino

h) 3-Metilciclohexeno

c) 2-Metil-1-buteno

i) 1,2-Dimetilciclohexeno

d) 3-Etil-3- metil-1- pentino j) trans-3,4-Dimetil-3-hepteno e) 2,3- Dimetil -2-penteno

k) Ciclopropeno

f) cis-2-Hexeno

l) 3-Hexino

3. Escribe el nombre de acuerdo con la iupac para los siguientes hidrocarburos no saturados.

3. ¿En qué estados de la República Mexicana se localizan las mayores amenazas contra la biodiversidad?

a) CH2  CH(CH2)4CH3

 

b)

4. ¿Cuáles son las principales amenazas que se tienen contra la biodiversidad?

  5. ¿Tienes conocimiento de algún otro animal emblemático, diferente al señalado en el cuadro que presente problemas de extinción?

H3C    CH 3

CH3

  

c)



CH3 CH3

 

187

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

d) (CH3)2CHCH  C(CH3)2

Actividad formativa

Investiga en cualquiera de los buscadores de Internet y en media cuartilla describe la diferencia entre macromoléculas naturales y macromoléculas sintéticas. Escribe cinco ejemplos de cada una de ellas, y da tu opinión sobre cuáles son más importantes para la preservación del medio ambiente en la modernidad y/o confort.

e) CH3(CH2)5C  CH f) CH3CH2C  CC(CH3)3

Envía por correo electrónico las respuestas a tu profesor.



Situación didáctica

¿Lo natural contra lo artificial? María y José son naturistas, es decir, no comen nada que sea “quími­ co”, por aquello de que se ha descubierto que la química causa enfer­ medades. Opinan que si todo el mundo supiera lo que causan ciertos productos como el azúcar dietética, los conservadores y los coloran­ tes que le ponen a los productos químicos, nadie se los comería. Pero además el problema no termina ahí, ellos saben que a los animales, las vacas, los puercos, los pollos y hasta los peces que se crían en gran­ jas los alimentan con químicos, con hormonas sintéticas. Por estas razones María y José consumen sólo alimentos naturales. Por ejemplo, verduras cultivadas en hortalizas ecoló­gicamente di­ señadas, sin fertilizantes, ni químicos, todo es natural. Galletas y panes elaborados en casa con harina de trigo integral. No comen carne, no fuman, no beben y además practican deporte. Ni aun­que los puercos sean criados en casa se los comen. Consumen produc­ tos como leche, queso, yogurt y granola que compran en tiendas naturistas, en bolsitas empaque­tadas con marca y todo. Además, se

n

De verdad que son bien radicales, ¡se pasan! No los puede uno in­ vitar a ningún lado que no sea naturista, pero que además ellos no hayan conocido previamente. Conflicto cognitivo: ¿Crees que es cierto que María y José no consumen o utilizan nada químico? Se hace la pregunta a los estudiantes de manera que den su opinión sobre este fenómeno social que además es muy propio de los jóve­ nes: la naturaleza llama y la química es muy mala. A partir del cuestio­ namiento se pueden ir haciendo otras preguntas sobre la química de manera que el docente obtenga información sobre qué tanto saben del concepto y cómo confunden lo que es la química con la industria que crea productos artificiales no na­turales.

Secuencia didáctica

Trabajo individual: haz una investigación utilizando los con­ tenidos de este libro sobre los siguientes conceptos: química, física, productos naturales y productos sintéticos. Entregar un reporte con la información obtenida.

188

visten con ropa de algodón cultivada en tierras especiales que no tienen fertilizantes, sino que utilizan puro abono orgánico. Su ropa es muy parecida a la que se usa en India: blusones, pantalones flo­ jos con jareta, alpargatas de algodón con suela de cuero sin nada que sea de plástico.

Trabajo por equipos n

Cada miembro del equipo presenta los resultados de su inves­ tigación de manera que entre todos definen un concepto propio sobre química, productos naturales y sintéticos. Para hacerlo leerán este bloque.

Grupo Editorial Patria ® n

n

Luego identifiquen si los productos siguientes son químicos o naturales: pollo, puerco y res criados en granjas orgánicas; ji­ tomate, cebolla, zanahoria, pepino, calabaza y lechuga sembrados en hortalizas orgánicas; camisas, pantalones y al­ pargatas de algodón; mariguana, pan, galletas, yogurt, granola, leche empaquetada, queso, leche de soya.

n

El equipo hará una presentación con los resultados de esta cla­ sificación en una tabla y del debate sobre la mariguana.

n

Investigación individual sobre los conceptos de química, pro­ ductos sintéticos y productos naturales.

Una vez hecha esa primera clasificación retomarán los mis­ mos productos y definirán si son naturales o sintéticos.

n

Dos tablas de clasificación de los productos, una sobre quími­ cos y naturales y otra sobre sintéticos y naturales.

n

¿Leí todo el contenido del bloque?

n

¿Cuándo lo hice comprendí todas las palabras? Si no lo hice, ¿busqué el significado de las palabras que no entendí? ¿Volví a leer el texto hasta que lo comprendí?

n

¿Puedo definir con mis palabras qué es la química, cuál es la diferencia entre la química y la naturaleza, entre un producto sintético y uno químico?

n

¿Identifico cuáles son las causas por las cuales la mariguana causa daño, aunque sea un producto natural?

Evidencias a recopilar

Rúbrica Realiza lo siguiente: n

n

Investigación y reporte individual que debe incluir la defini­ ción de los conceptos solicitados, los datos básicos y estar es­ crito en letra legible. Tablas de clasificación: deben incluir todos los productos que se han establecido en el lugar que les corresponde, los nom­ bres del equipo y las definiciones sobre qué es la química que hicieron entre todos.

Autoevaluación Con el propósito de revisar si adquiriste los contenidos del bloque pregúntate lo siguiente:



  Portafolio de evidencias

Pasos para hacer el portafolio de evidencias 1. En una computadora crea una carpeta con el nombre Química2. 2. Crea un archivo en un procesador de textos con tu nombre_Química2. 3. Crea dentro de la carpeta Química2 otra carpeta con tu nombre_Bloque3. 4. Dentro de la carpeta Bloque3 guarda las evidencias que indique tu profesor. 5. Envía los archivos por correo electrónico a tu profesor.

189

3

Compuestos de carbono y macromoléculas

 

 3.10 Macromoléculas sintéticas

Las macromoléculas artificiales intervienen en todo aspecto de la vida moderna de ma­ nera que es difícil imaginar un mundo sin polímeros. Tenemos las fibras tex­ti­les para vestido, alfombrado y cortinajes, zapatos, juguetes, repuestos para automóviles, materiales para construcción, caucho (o hule) sintético, equipo químico, artículos médicos, utensi­ lios de cocina, cuero sintético, equipos recreativos y la lista podría seguir.

Figura 3.64 Las raquetas hechas con el propileno nylon son ligeras.

Todos estos productos y muchos otros, que consideramos esenciales en nuestra vida dia­ ria, se fabrican completamente o en par­te con polímeros. La mayoría se desconocía hace 70 u 80 años. Hay que tener presente que la mayor parte de los materiales de­rivados de los polímeros se obtienen del petróleo y como éste no es renovable, la dependencia de los polímeros es otra buena razón para no despilfarrar su limitado caudal mundial.

Polímeros Al proceso de formar moléculas muy grandes, de alta masa mole­cu­lar a partir de unidades más pequeñas, se le llama polimerización. La molécula, o unidad grande, se llama polímero, y la unidad pequeña se denomina monómero. A los polímeros que contienen más de un tipo de monómero se les llama copolímeros. Por ejemplo, el butadieno y el estireno se copolimerizan para formar un caucho sintético que se utiliza en los neumáticos de los automóviles. Pueden lograrse pesos moleculares de 25 000 a 500 000 con este tipo de co­ polimerización. Si en la reacción de polimerización se in­troducen dos monómeros sin nin­ guna precaución, se obtiene H C CH25CH2CH5CH2 1 C6H5CH5CH2

Figura 3.65 La tecnología moderna utiliza los diversos materiales poliméricos para la fabricación de múltiples productos.

R 2 CH22 C H

1,3- Butadieno

Estireno

H2CHCH2 2 R C6H5 Caucho SBR

Sin embargo, pueden utilizarse reacciones especiales para poner grandes bloques de unidades de un mismo monómero, una sobre otra, en la cadena repetida. Los copolíme­ ros de este tipo se llaman polímeros de bloque y tienen propiedades físicas diferentes de los copolímeros al azar. Debido a su gran tamaño, los polímeros con frecuencia se denominan macromoléculas. A algunos polímeros sintéticos se les llama plásticos. La palabra plástico quiere de­ cir “capaz de ser moldeada”. Aunque no todos los polímeros son moldeables ni se pueden remoldear, la palabra plástico se ha utilizado para designar cualquier sustancia derivada de polímeros. Durante mucho tiempo, la humanidad ha utilizado los polímeros naturales para formar materiales útiles. Ejemplos del procesamiento son la torsión de la lana, el curtido de pie­ les y la fabricación de caucho natural. Durante los últimos 50 años, los químicos han aprendido a fabricar polímeros sintéticos con base en monómeros que reaccionan de manera controlada mediante diversos procesos químicos. El ejemplo más sencillo de una reacción de polimerización es la formación de polietile­ no a partir de moléculas de eteno o etileno. En la reacción de polimerización, el doble 190

Grupo Editorial Patria ® enlace de cada molécula de etileno “se abre” para formar nuevos y sencillos enlaces de carbono-carbono con otras dos moléculas de etileno. La fórmula del polietileno es:

H nCH25CH2

H

H

H

H

H

H

H

H

H

2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C2

etileno

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

2 C 2 C2 H

H

n

polietileno

El subíndice “n” es un número muy grande de cientos a miles de moléculas. Una molécula típica de polietileno contiene de 2 500 a 25 000 moléculas de etileno unidas en una estructura continua.

Monómero

Polímero

CH25CH2

[2 CH 2CH 2]

Etileno

Polietileno

Cl Cloruro de vinilo

Acrilonitrilo

Cl

  n

Discos fonográficos, mangueras para jardín, artículos moldeados, losetas de piso, aisladores eléctricos, cuero de vinilo.

Cl

Empaque de alimentos, fibras textiles, tubos (con algo de cloruro de vinilo como copolímero).

n

Sarán



CN

 

2 CH22C 2 Cl

2 CH22CH 2  

 

Como adhesivo sensible a la presión, goma (o caucho) de bautilo (con algo de siopreno como copolímero).

Policloruro de vinilo (PVC)

Cloruro de vinilideno CH25CH

n

2 CH22CH 2



Cl

CH3

Plisobitileno

Cl CH25C

Para fibras textiles, artículos moldeados, cuerdas ligeras, equipo biológico esterilizable en autoclave.

n

CH3

2 CH22C 2



 

Como material de empaque, artículos moldeados, juguetes, cubetas, botes, etcétera.

Polipropileno

Isobutileno CH25CH

CH3



CH3



 



CH25C

n

2 CH22CH 2

Propileno CH3

2



CH3

Usos



 



CH25CH

2

En el siguiente cuadro se muestran algunos polímeros derivados del etileno modificado.

CN

n

Fibras textiles.

Orlón, acrilán

191

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

Monómero

Polímero

CF25CF2

[2 CF 2CF 2]

Tetrafluoroetileno

Teflón 2 CH2CH2 2  

C6H5

Poliestireno

Vinil benceno o estireno



2 CH22 CH2 CO2 CH3 O

Acetato de vinilo

CO2 CH3 O

   n

Poliacetato de vinilo



CH22 C2 CH3

CH25CH CO2O2CH3 O Metacrilato de metilo

Adhesivos, pintura y barnices, materia prima del polialcohol vinílico.



CH25CH

Artículos moldeados, unicel, material de aislamiento, juguetes, recipientes desechables para alimentos.

n



C6H5

Empaquetaduras, válvulas, aislamiento, recubrimientos resistentes al calor y a agentes químicos, revestimientos para ollas y sartenes.

n



2



CH5CH2

2

Usos

C2 O 2CH3 O

Lentes de contacto, láminas transparentes para ventanas y aplicaciones ópticas, artículos moldeados, acabados para automóviles.

n

Lucita, plexiglás (resinas acrílicas)

Para su estudio, los polímeros se dividen en polímeros de adición y de condensación.

Polímeros de adición Los polímeros de adición son aquellos que son producidos por reacciones que permiten obtener longitudes específicas o determinadas. En estas reacciones no se obtiene ningún subproducto. Los polímeros de adición se forman por algún tipo de mecanismo en cadena, el cual pue­ de ser: aniónico, catiónico o por radicales libres, según el tipo de monómero utilizado. En cada caso se cubren las tres etapas por las que pasa cualquier polimerización: iniciación, propagación y terminación. Por ejemplo, en la polimerización de un compuesto olefínico (de olefina 5 alqueno) con vía de radicales libres, estas etapas pueden delinear­ se de la siguiente forma.

Iniciación Formación del intermedio reactivo, en este caso un radical libre. O

O

C6H5C2O2O2C2C6H5 Peróxido de benzoilo

O D

2C6H5 C2O•

2C6H5• 2 CO2

Radical benzoilo

Radical fenilo

El radical iniciador (en este caso el radical fenilo) se añade al monómero insaturado de la etapa de iniciación para generar el monómero de radical libre. 192

Grupo Editorial Patria ®

Propagación C6H5CH2CH2•1CH25CH2

C6H5CH2CH2CH2CH2• nCH25CH2

C6H5(CH2CH2) n11CH2CH2• En la etapa de propagación se genera una adición consecutiva del monómero para cons­tituir la cadena que va creciendo. El valor de n establece el peso molecular del polímero.

Terminación La terminación interrumpe la cadena que crece, y acaba con la reacción de polimerización. El acoplamiento de dos radicales libres puede resul­ tar en la terminación de la cadena.

2C6H5(CH2CH2)nCH2CH2•

2C6H5(CH2CH2)nCH2CH2 CH2CH2(CH2CH2)nC6H5

La reacción de polimerización del etileno es otro ejemplo típico de una reacción de adición. En dicha reacción el etileno funge como monó­ mero, es decir, la molécula pequeña con la cual se hace la molécula más grande de polímero. Se puede crear una gran diversidad de polímeros de adición a partir de monómeros parecidos al etileno. Al reemplazar uno o más átomos de hidrógeno en el etileno, se obtienen varias series de polímeros útiles como el policloruro de vinilo (PVC), el poliacrilonitrilo y el poliestireno. n CH25CH    Cl Cloruro de vinilo

2CH2CHCH2CHCH2CHCH2CH2 Cl

Cl

Cl

Cl

Policloruro de vinilo (PVC)

(El Cl reemplaza al hidrógeno) El PVC se emplea para la fabricación de zapatos, chaquetas con aspecto de cuero y tubería de plástico n CH25CH CN

2CH2CHCH2CHCH2CHCH2CH2 CN

CN

CN

CN

Acrilonitrilo Poliacrilonitrilo

(CN reemplaza a H) El poliacrilonitrilo se emplea en fibras acrílicas para ropa y alfombras

El arreglo de enlaces covalentes en las largas moléculas de polímeros, las cuales parecen cuerdas, provocan un enrollamiento flojo. Un conjun­ to de moléculas de polímero (como las de un trozo de hule o de plástico fundido) pueden entrelazarse, de manera parecida a como lo hacen los fideos cocidos o el espagueti. En esta forma el polímero es flexible y suave.

Polímeros de condensación En una reacción de polimerización por condensación se unen dos moléculas (condensadas) y una pequeña molécula, ya sea agua o alcohol, se suprime o elimina. Para que una polimerización de condensación forme materiales de peso molecular muy elevado, la reacción de conden­ sación debe tener lugar una y otra vez de manera repetida. En con­secuencia, los monómeros utilizados en este tipo de polimerización tienen

193

3

Compuestos del carbono y macromoléculas dos o más grupos funcionales que puedan entrar en reacción para formar la cadena de polímero. Las reacciones de esterificación y formación de amidas son de este tipo. No todas las moléculas poliméricas se forman por reacciones de adición; polímeros como las proteínas, el almidón, la celulosa (de la madera y el papel), el nylon y el poliéster se obtienen a partir de monómeros. Sin embargo, a diferencia de los polímeros de adi­ ción, estos otros se forman con pérdida de moléculas de agua de unidades de monóme­ ros adyacentes. En la reacción de un ácido orgánico y un alcohol se produce un éster de olor agradable, más agua. Muchos perfumes contienen ésteres, al igual que los aromas característicos de muchas hierbas y frutos. Por ejemplo, al reaccionar el ácido etanoico o acético con el al­ cohol metílico o metanol, se obtiene el acetato de metilo y se utiliza el ácido sulfúrico como catalizador:

Figura 3.66 La molécula de un polímero tiene un elevado número de cadenas individuales y complejas.

H2SO4

CH3COOCH3  1 H2O CH32COOH  1 CH3OH Ácido etanoico Alcohol metílico Acetato de metilo Agua Ácido 1 Alcohol 5 Éster 1 Agua

El tipo de compuestos bifuncionales que se condensan juntos para formar un polímero, establecerá el enlace del grupo funcional en la unidad que se repite. Así, si se utilizan un ácido y un alcohol, se obtendrá un poliéster (como se explicó en párrafos anteriores). Si se condensan un ácido y una amina, se obtiene una poliamida, como se explica a continuación, reacción en la cual se elimina una molécula de agua:

O

O

2C2OH 1 2C2OH Ácido

1 Alcohol

O

Éster

1 Agua

O H

2C2OH 1 2C2NH2 Ácido

2C2O 1 H2O

1 Amina

2C2N2C2 1 H2O Amida

1 Agua

El ejemplo más conocido de un poliéster es la fibra de dacrón, que está formada por ácido tereftálico y etilenglicol. La polimerización tiene lugar en varias etapas: en primer lugar, el intercambio de éster se logra a 200 °C para obtener alcohol metílico (que se suprime por destilación) y un nuevo monómero. Después de suprimir el metanol, se eleva la temperatura a 280 °C y tiene lugar la polimerización dando como resulta­ do el dacrón y el etilenglicol, que también desaparece por destilación. La fibra de dacrón, llamada también terilene o terón, puede prepararse en hilos permanentes y tiene muchas aplicaciones en la vida cotidiana, combinado con lana en tejidos de los que se lavan sin planchar. Cuando forma una película (mylar, cronar), se obtiene un producto de mucha resistencia tensil; el mylar se utiliza mucho para preparar cintas magné­ ticas para gra­bación. Los polímeros son materiales amorfos que no presentan fases cristalinas bien definidas con puntos de fusión definidos, sino que se ablandan durante un intervalo de temperaturas. Aunque los polímeros se clasifican como materiales amorfos, tienen cierta proporción de ordenamien­ to o cristalinidad. 194

Grupo Editorial Patria ®

Actividad formativa

¿Cuál es la diferencia entre un polímero de adición y un polímero de condensación?

¿Cuál es la unidad que se repite (monómero) en cada uno de los siguien­ tes polímeros? a) Polipropileno:

Lectura En 1910, cuando en México iniciaba la Revolución, un químico ruso lo­ gró sintetizar el butadieno, material muy parecido al caucho, el cual fue utilizado ampliamente en la Primera Guerra Mundial. En Alemania necesitaban grandes cantidades de hule natural y lo sustituyeron por el sintético. El hule natural es sólo uno de los muchos polímeros que se encuentran en la naturaleza. La celulosa, que forma parte de las fibras vegetales y de la madera, es otro polímero muy importante. En 1860, se obtuvieron los primeros plásticos semisintéticos a partir de la ce­lulosa. En 1907, Leo Baekeland (1863-1944), químico belga-estadounidense, obtuvo el primer plástico sintético, la bakelita.

b) PVC:

En la actualidad, todo el mundo se encuentra inmerso en la era del plástico, basta con observar a nuestro alrededor y veremos gran cantidad de artículos de plástico: computadoras, “ratones”, cables, cajas de acrílico, teléfonos, celulares, televisores, plumas, cubiertas, bolsas, colchones, juguetes, y más.

c) Orlón: d) Poliestireno: e) Poliacrilonitrilo: f ) Dacrón: g) Teflón:

Las interacciones entre las moléculas del polímero pueden prove­ nir de enlaces químicos formados entre las cadenas de polímeros, o de las fuerzas que actúan entre ellas. Los materiales termoplásticos (que soportan el calor) constan de cadenas lineales independientes de largas moléculas del polímero. Las cadenas individuales son flexibles y pueden asumir formas complejas. Las lineales más sencillas se suelen complicar al ramifi­ carse, esto es, por cadenas laterales que se extienden a partir de la principal, como ramales que emergen de las líneas principales de una vía de ferrocarril o como un espagueti. Los materiales poliméricos termoestables tienen enlaces químicos que entrecruzan a las cadenas del polímero, como se ilustra en el caso del hule: CH3

H

Cuanto mayor sea la densidad de enlaces entrecruzados por unidad de volumen del material, más rígido será éste. El ejemplo mejor co­ nocido de este entrecruzamiento es la vulcanización del hule natu­ ral, descubierto de la corteza del árbol Hevea brasiliensis. Este hule es un polímero del isopreno C5H8. El hule natural no es un plástico útil debido a que es demasiado blando y muy reactivo químicamen­ te. Como mencionamos anteriormente, Goodyear descubrió de manera accidental que al añadir azufre al hule y calentar la mezcla, se logra solidificar el hule y se reduce la oxidación por los ataques quí­ micos de otras sustancias. El azufre cambia el hule en un polímero termoestable al entrecruzar las cadenas del polímero mediante la reacción de algunos dobles enlaces. Un entrecruzamiento de alre­ dedor de 50% de los dobles enlaces produce un hule flexible, elásti­ co. Cuando el hule se estira, los enlaces entrecruzados evitan que las cadenas resbalen, de modo que conserva su elasticidad. Con frecuencia se habla mal de los plásticos provenientes de va­ sos, platos, bolsas del supermercado, empaques de unicel y envases,

Polimerización

C2 C CH2

CH2

Isopreno

CH3

H C5 C

2CH2

CH22

n

Hule vulcanizado En esta macromolécula con valor de n, las cadenas pueden ser de 20 mil hasta 100 mil monómeros.

Figura 3.67 Polímero lineal (izquierda) y polímero con uniones transversales (derecha).

195

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

debido a que causan varios problemas por el gran volumen que ocupan y la difi­ cultad para degradarlos. Sin embargo, en la actualidad los plásticos se separan en los depósitos de materiales y en los basu­ reros para reciclarlos, ya que los termoes­ tables pueden volverse a utilizar, después de fundirlos y someterlos a un pequeño tratamiento. En nuestro país, en las ciu­ dades de Toluca y Guadalajara existen dos plantas para reciclar polietileno. A fin de identificar el tipo de plástico usado en la fabricación de envases y recipientes, se utiliza la simbología que aparece en el si­ guiente cuadro para poderlos clasificar aen la recolección y reciclaje. Código PET

HDPE

LDPE

PS EPS

Actividad experimental

Formen equipos de cuatro o cinco alumnos, realicen la siguiente actividad y contesten las preguntas correspondientes. Elaboren un informe escrito y expónganlo ante el resto del grupo.

Obtención de artículos de resina poliéster

Tereftalato de polietileno

Se encuentra en recipientes rígidos, en especial en botellas para bebidas gaseosas.

Realizar una polimerización con resina poliéster

Es el plástico de mayor uso en recipientes rígidos, como son botellas para jugos y aceites domésticos y aceites para automóviles.



n 1

vaso de plástico cualquiera



n 1

palito de madera



n 2 moldes de plástico como los que se usan en el refrigerador para

Polietileno de alta densidad

Policloruro de vinilo Polietileno de baja densidad

Polipropileno

Poliestireno Espuma de poliestireno

Plástico duro que se usa en tuberías y en la construcción, recipientes para champús, aceites y productos domésticos. Se usa en películas y bolsas de plástico. Empaques para alimentos, estuches para baterías, forro de pañales desechables. Se conoce como una espuma, en forma de platos, vasos y recipientes para alimentos, aunque, en su forma rígida se usa para hacer cuchillos de plástico, tenedores y cucharas.

La sociedad de la industria de los plásticos ha elaborado códigos con números y siglas (en inglés) para ayudar a la gente a clasificar a los plásticos y uniformar la comunicación. Los códigos resultan más útiles para ordenar los plásticos y tomar una decisión respec­ to al método para reciclarlos. Además de tener una composición química diferente, cada tipo de plástico tiene distintas propiedades físicas, lo que determina su uso. Las botellas de PET de refrescos, así como los recipientes para le­ che y las botellas de agua de HDPE (polietileno de alta densidad) 196



Usos principales

(PEBD en español) PP

Figura 3.68 Los plásticos son sustancias formadas por macrocélulas orgánicas llamadas polímeros.

Material

(PEAD en español)

PVC

reciben la mayor atención porque son las que se recolectan y se se­ paran con mayor facilidad. Sólo el cuerpo de la botella está formado por PET. La base es de HDPE, el tapón es de otro tipo de plástico o de aluminio y la etiqueta tiene adhesivo. Las botellas se cortan o se trituran en trozos muy pequeños para procesarlos. Los adhesivos se eliminan con detergentes fuertes. El HDPE, que es más ligero que el PET, se separa de él en agua porque uno se hunde y el otro flota. El aluminio se separa de manera electrostática. Lo que queda son pequeños trozos de plástico, que se venden a los fabricantes quie­ nes los usan para hacer otros plásticos.

Propósito Material

obtener hielos

n 60

g de resina poliéster cristal (preparada)



n 13

gotas de catalizador (peróxido de metil etil cetona)

Procedimiento 1. Coloquen los 60 g de resina poliéster en el vaso de plástico y agre­ guen el catalizador. Con el palito de madera mezclen los componentes. 2. Agreguen las gotas de colorante y mezclen con el palito de madera. 3. Viertan la resina ya catalizada en los moldes de plástico. 4. Desmolden la resina de poliéster cuando se haya solidificado para obtener sus productos. Contesten las siguientes preguntas: 1. ¿Qué ocurrió al mezclar la resina con el catalizador?

2. ¿Qué ocurrirá si agregamos más catalizador del necesario?

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3. ¿En cuánto tiempo se obtuvo el producto polimerizado?

Actividad experimental

Reúnete con dos o tres de tus compañeros o compañeras y realicen la siguiente actividad experimental. Sigan las instrucciones, contesten las preguntas correspondientes y elaboren un informe escrito donde analicen los resultados y presenten las conclusiones. Comparen sus respuestas con otros compañeros de grupo.

Conclusiones:

Elaboración de una pelota de hule Propósito Obtener un producto de origen sintético. Material Lectura

El kevlar, un polímero de avanzada Los polímeros tienen muchas aplicaciones; por ejemplo, el nylon se usa no sólo como fibra, sino también en la manufactura de cojinetes, aisladores, hilos para pesca y cuerdas para neumáticos. Estas aplicaciones del nylon y de otros polímeros han estimulado la demanda de nuevas súper fibras que tienen la resistencia al calor del asbesto, la ri­ gidez del vidrio y una resistencia mucho mayor que la del acero. El kevlar tiene todas estas propiedades, su peso molecular promedio de cada cadena polimérica es de 100 000 uma. El kevlar posee propiedades especiales a tal grado que las cuerdas de éste han reemplazado a las cuerdas y los cables de acero en muchas aplicaciones, en especial en las plataformas de extracción de petróleo que se ubican mar adentro. Para un diámetro determinado, las cuerdas de kevlar tienen en el agua de mar 20 veces la resistencia del acero. Debido a que su estabilidad a temperaturas elevadas es muy buena, el kevlar se utiliza en guantes protectores y en la ropa protectora de los bomberos. Es también uno de los componentes principales de estructuras muy fuertes, como las lanchas para carreras.



n 50

g de bórax



n 2

vasos de precipitados



n 50

mL de agua caliente



n 1

agitador



n Resistol



n 1

cuchara

850

Procedimiento 1. En un vaso de precipitados agreguen una cucharada de bórax y cinco de agua caliente. Mézclenlos perfectamente con el agitador. 2. Agreguen dos cucharadas de pegamento blanco 850 y con las dos manos denle forma esférica. ¿Qué observan?

¿De qué tipo de material es la pelota?

¿Por qué?

¿Qué pasa si cambian las cantidades de bórax y pegamento blanco para elaborar otra pelota?

Háganlo y registren las diferencias con la anterior. Conclusiones:

Figura 3.69 La ropa protectora de los bomberos esta hecha con kevlar, debido a su resistencia a altas temperaturas.

197

3

Compuestos del carbono y macromoléculas



Actividad formativa

Completa el siguiente mapa conceptual.

Macromoléculas sintéticas

Pueden obtenerse a partir de

Polímeros de adición

Ejemplos

198

Ejemplos

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Actividad transversal

Socioemocional Veinte cosas que me gusta hacer Esta actividad tiene por objetivo que los alumnos se den cuenta de sus valores y manera de actuar ante diversas situaciones cotidianas. Instrucciones: 1. El maestro solicitará a los estudiantes que hagan una lista de 20 actividades que les guste hacer en su vida cotidiana. 2. Clasifica cada una de las actividades señaladas en el punto anterior. Anota por orden de interés, según tu opinión, un número en el paréntesis: con 1 la de mayor interés para ti y con 20 la de menor interés.

n ¿ Lo

elegí después de considerar y aceptar las consecuencias?

n ¿Lo

elegí libremente?

n ¿Mi

conducta está de acuerdo con lo que pienso y digo?

n ¿Mis

patrones de conducta son constantes y repetidos?

4. Proceso de valoración: n ¿ Qué

reacción tuviste al ver que los valores de los demás son diferentes a los tuyos?

 

n ¿Tendieron

tus compañeros a criticar o a enjuiciar?

( )  ( ) 

 

( ) 



( ) 

de modificar los valores de otro creyendo que los suyos eran los correctos?

( ) 

n ¿ Trataron

( ) 

 

( )  ( ) 



( ) 

n ¿ Hubo

cambios en tu escala de valores que habías anotado inicialmente?

( )  ( ) 

 

( )  ( ) 



( ) 

Conclusiones:

( ) 

 

( )  ( )  ( )  ( )  ( )  3. Formen equipos de seis alumnos. Compartan sus respuestas sobre las cosas o actividades más deseadas y las menos deseadas. Verifiquen el proceso de valoración que afirma sus valores, basándose en las siguientes preguntas: n ¿Aprecio

lo que hago y hago lo que aprecio?

n ¿Lo afirmo en público cuando hay oportunidad de hacerlo? n ¿Lo

elegí entre varias alternativas?

199

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

Evaluación sumativa



Ha llegado la hora de que demuestres realmente cuánto has aprendido, hemos terminado este bloque y ahora ya conoces muchas cosas nue­ vas. En esta sección encontrarás una serie de actividades que están diseñadas para valorar los conocimientos y actitudes del proceso de apren­ dizaje adquirido durante el desarrollo del bloque, las cuales te permitirán mejorar tu desempeño a lo largo del curso. Cuestionario. Propósitos: 1. Identificar los métodos que utiliza el estudiante al responder las preguntas de carácter científico de forma correcta y, a partir de ello, vali­ dar los resultados obtenidos con los de sus compañeros de clase. 2. Explicar los procesos teóricos que den solución a los problemas planteados, así como demostrar su utilidad e identificar la importancia que tiene su aplicación en actividades de la vida cotidiana. Instrucciones: 1. Analiza y resuelve cada uno de los reactivos que integran este cuestionario. 2. Intercambia el trabajo realizado con un compañero, contrasten los resultados obtenidos y soliciten la retroalimentación del profesor a fin de tener la información clara y correcta. I. Instrucciones: Elige la respuesta que consideres correcta y anótala en el recuadro de la izquierda. 1. En el laboratorio se obtuvo el metano, calentando la

cal sodada (NaOH 1 CaO) con el:

6. Se les llama así a los compuestos con la misma fór­

mula molecular, pero diferente disposición de los átomos de su molécula:

a) isótopos

c)  anfóteros

a)  carburodecalcio c)  acetato de sodio

b) isómeros

d) monómeros

b)  ácidosulfúrico d)  reactivo de Bayer

7.  Un compuesto cíclico se distingue por:

2. Los compuestos orgánicos se distinguen por estar

a) formar anillos en la cadena

formados casi siempre por estos elementos:

a) H, Na, S, N

c)  H, O, C, N

b) K, Cl, C, P

d)  O, Ca, N, B

3. Este tipo de orbitales son fundamentales en los com­

puestos orgánicos saturados para la formación de cuatro enlaces.

a) sp

c)  sp2

b) s2p

d)  sp3

4. Es una propiedad de los compuestos orgánicos:

a) predomina el enlace iónico b) son buenos conductores de la electricidad c) no forman estructuras complejas d) forman isómeros 5. Las diferentes familias de compuestos orgánicos se

distinguen por su...

a) grupo funcional c) reactividad b)  tipo de enlace 200

d)  punto de fusión

b) no formar anillos en la cadena c) tener dobles ligaduras d) tener un átomo de carbono inmerso en la cadena 8. Los hidrocarburos saturados presentan en su estruc­

tura una forma molecular de tipo:

a) lineal

c) trigonal

b) ortogonal

d) tetraédrica

9. La fórmula general de los alquenos es:

a) CnH2n

c)  Cn H2n11

b) C2nHn

d) CnH2n22

10. Al compuesto orgánico que tiene una cadena lineal

sin dobles ni triples enlaces y sin cadenas laterales se le llama:

a) acíclico no saturado b) cíclicos no saturados c) acíclico saturado lineal d) cíclico aromático

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11. Es un compuesto orgánico que en su cadena forma

13.  Es el más simple de los alquenos:

dobles o triples enlaces y cuenta con ramificacio­ nes:

a) cíclico no saturado

a) acetileno

c) propileno

b) etileno

d) butileno

14. Uno de los siguientes nombres corresponde a un

b) cíclico saturado

alquino:

c) acíclico no saturado arborescente

a) 2-metilpentanol

d) acíclico saturado arborescente

b) 4-etilhexenil

12.  Es un alcano compuesto de seis átomos de carbono:

a) hexano

c) butano

c) 2,4-dimetil-1,8-hexanodiol

b) heptano

d) hexano

d) 1-butino

II. Instrucciones: Relaciona las siguientes columnas, anotando en el recuadro de la izquierda el número correcto de acuerdo con la estruc­ tura orgánica. Acíclico saturado lineal

1. S

7. 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2

Aromático

2. 2 C 2 C 5 C 2 C 2

8.

Heterocíclico saturado simple

N

3. 2 C 2 9.

Acíclico no saturado arborescente

2C2 Homocíclico, alicíclico, saturado simple

Homocíclico, saturado, arborescente

4. 2 C 5 C 2 C C 2

5.

2C2 CH3

Cíclico, heterocíclico, no saturado-arborescente

6.

2C2C5C2C2

Alicíclico no saturado simple

Acíclico no saturado lineal

201

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

III. Instrucciones: Escribe el nombre o la fórmula según sea el caso en cada una de las siguientes estructuras orgánicas. 1.

 CH3      CH3

     CH3 2 CH2 2 CH 2 C 2 CH2 2 CH2 2 CH2 2 CH3 CH2 CH3 2.

  CH3

CH3  

 CH2

     CH3 2 C 2 CH2 2 CH2 2 CH 2 CH2 2 CH2   CH3

3.

CH2 2 CH3

CH3

CH3

CH3

4.

CH3

     CH2 2 CH 5 C H 2 CH 2 CH 2 CH2

5.

 

CH3

     CH3 2 CH2 2 CH 2 C 2 CH2 2 C 5 CH2 CH2 CH3

 

H

CH3 6.         7.

CH2 2 CH3                

 CH3

  CH3 − CH

     C H3 2 C C 2 CH 2 CH2 2 CH 2 CH22 C H3 CH2     202

CH3

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8.

    

CH3

CH3

CH 2 CH3

      CH32 C 2 CH2 2 CH2 2 CH2 2 C   

CH3

C 2 C 2 CH2 2 CH2 2 CH2 2 CH2 2 CH3

CH3 2 C 2 CH3 CH3

IV. Instrucciones: Relaciona ambas columnas, escribiendo en el cuadro de la izquierda la letra que corresponda a la respuesta correcta. 1. CH3 2 CH2 2 OH

a) Amida

2. CH3 2 NH 2 CH3

b) Sal orgánica

3. CH3 2 O 2 CH3 4. CH3 2 CO 2 NH2

c) Cetona

5. CH3 2 CH2 2 CH



d) Éster

 || O



6. CH3 2 COOH

e) Éter

7. CH3 2 CH 2 I

f ) Amina



  || CH3

g) Ácido orgánico

8. CH3 2 C 2 O 2 Li



  || O

h) Aldehído i) Halogenuro de alquilo

9. CH3 2 C 2 O 2 CH2 2 CH3



  || O

j) Alquino

10. CH3 2 CO 2 CH3

k) Alqueno

11. CH3 2 C ≡ C 2 CH3 12. CH2 2 CH 2 CH3

l) Alcohol

V. Instrucciones: Escribe el nombre sistemático de las siguientes fórmulas de compuestos orgánicos. 1.

CH2 2 CH3 CH3

CH3

   CH3 2 CH2 2 C 2 CH2 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH3 CH3 2 CH CH3

 

OH

     

 CH 2 CH3 CH2 2 CH3

203

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

2.

CH3

CH3

   CH3 2 CH 2 N 2 CH2 2 C 2 CH3     3.

CH3

CH3

CH3 2 CH 2 CH3

 

CH2 2 CH3

   F

   CH3 2 CH 2 CH 2 CH2 2 CH 2 CH2 2 CH2 2 CH 2 CH3 Br

CH2 2 CH 2 CH2 2 CH3

       4.

 CH3

CH2 2 CH2 2 CH3

  CH3 2 (CH2)4 2 C 2 CH2 2 CH 2 COO 2 CH2 2 CH2 2 CH2 2 CH3 CH3 2 CH2

   CH2 CH3 2 C 2 CH3  CH3

5.

CH3  CH 2 CH3  CH3

CH3

  CH3 2 CH 5 CH 2 C 2 CH2 2 C 2 CH2 2 C 2 CH3 CH3 2 C 2 CH3     C 2 H CH3 6.

CH3

CH3

    O

CH3

  CH3 2 C 2 O 2 CH 2 CH3 CH3

7.

 CH3

 

CH2 2 CH2 2 CH3

  CH3 2 CH2 2 C 2 CH2 2 CH 2 CH 2 CH2 2 C 2 O 2 Mg CH 2 CH3 CH3

8.

   CH 2 CH3  

O

 CH3

 CH2 2 CH3

  CH3

  CH3 2 CH2 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH2 2 C 2 CH2 2 CH3 CH2  CH3 2 C 2 CH3 CH3

204

CH3

CH3

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9.

     

CH3

CH3 2 CH 2 CH3 CH 2 CH3   CH3 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH2 2 C 2 NH2 CH2 CH3 2 C 2 CH3 CH3

O

CH3

VI. Instrucciones: Relaciona las siguientes columnas, anotando en el recuadro la letra que contenga la respuesta correcta: a) Vinil benceno b) Nitrobenceno c) Ácido bencensulfónico d) m-diclorobenceno e) o-metilfenol f ) 2-yodo-5-nitro anilina g) o-bromoetilbenceno

h) cloruro de benzilo i) 2,3 dinitrotolueno j) p-dimetilbenceno k) etilbenceno l) p-yodo nitrobenceno m ) 2-amino-3-cloro-4-hidroxi-ácido benzoico n) m-dihidroxilbenceno CH3

NO2 COOH

o) ácido-m-metil-1,5-bencendicarboxílico p) anilina q) 3-metil-4-hidroxinitrobenceno r) p-isopropiltolueno s) benzamida t) benzaldehído u) o-cloroanilina CH3

CH3

COOH COOH

SO3H NH2 Cl NO2 NO2

CH 5 CH2

Cl

CH3

Cl

CH2 2 CH3 Br

OH

CONH2

OH

NO2 CH3

CH2 CH3

OH CH3

NO2 NO2

CH3 NH2

I I

CH32CH2CH3

NH2 NH2

Cl CH2Cl

CHO

205

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

VII. Instrucciones: Escribe la fórmula semidesarrollada de los siguientes compuestos orgánicos:

g) 6-metil-4,7-dietil-5-neopentil-3-dodecanona

a) 2,3,5-trietil-4-isopropil-4-terbutiloctanoato de sodio

h) 2-metil-6-etil-4-secpropil-5,4-diterbutil-3-neopentoxidecano

b) Ácido-3-metil-5,7-diterbitil-6-neopentil-4-nonenoico c) 3,4,4-trimetil-5,6-dietil-5-secbutil-7-terbutilundecanoato de neopentilo

i) 5,6-dimetil-3,4-dietil-4-propil-5-secbutil-3,6-dotridecano­ diol

d) 2,5-dietil-3-isopropil-2-secbutil-7-dodecenal

j) 6-etil-4-isobutil-5,5-disecbutiloctanoamida

e) Etil terbutil amina

 

f ) 3,3,6,8-tetrametil-4-etil-4,6-diisopropil-5-terbutil-2tridecanol

VIII. Instrucciones: Escribe la fórmula correspondiente para los siguientes compuestos orgánicos.

6. 2-bromo-5nitro-p-xileno

1. p-etil anilina

7. Benzaldehído

2. ac.-2cloro-3nitro-5hidroxi benceno.

8. 3-cloro-1,2 dietil benceno

3. m-toluil-isopropanol

9. 2,4, difenil-fenol

4. ac.-p-nitro-bencensulfónico

10. 2,4,6 trinitrotolueno

5. m-isopropil-fenol

206

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Cuestionario. Propósitos:

4. Explica la razón estructural por la cual existen tres tipos de po­ lietileno.

1. Identificar los métodos que utiliza el estudiante al responder las preguntas de carácter científico de forma correcta y, a partir de ello, validar los resultados obtenidos con los de sus compa­ ñeros de clase. 2. Explicar los procesos teóricos que den solución a los proble­ mas planteados, así como demostrar su utilidad e identificar la importancia que tiene su aplicación en actividades de la vida cotidiana.

5. ¿Qué son los carbohidratos y cómo se dividen?

Instrucciones: 1. Analiza y resuelve cada uno de los reactivos que integran este cuestionario. 2. Intercambia el trabajo realizado con un compañero, contras­ ten los resultados obtenidos y solicita la retroalimentación del profesor a fin de tener la información clara y correcta. 1. Calcula la masa molecular de los siguientes polímeros. a) H2 (2NH2CH(CH3)CO2)80 2OH:

6. ¿Cuál es el monosacárido más importante? Describe sus prin­ cipales características.

b) H2(2OSi(CH3)2)352OH:

2. ¿Qué polímero de adición se obtendría a partir del monóme­ ro: 1-buteno (CH25CH2CH22CH3)?

3. Menciona cuáles son algunos de los polímeros de adición más importantes y sus aplicaciones comerciales.

7. ¿Cuáles son los tres disacáridos más utilizados en la dieta hu­ mana?

8. ¿Dónde se localiza el almidón? ¿Cuáles son sus componentes principales?

207

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

9. ¿Describe brevemente qué es un lípido y en qué está basada su clasificación?

12. Describe brevemente qué son las proteínas y su estructura quí­ mica.

13. ¿Cuáles son las funciones de las proteínas?

10. ¿Qué es una grasa?

14. ¿Cuál es la función celular más importante de las proteínas?

11. ¿Qué es un aceite? 15. Escribe la estructura del éster que se obtiene al hacer reaccio­ nar el ácido acético con el metanol: CH3COOH 1 CH3OH Ácido acético

208

 metanol    

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Autoevaluación Nombre del estudiante:

Propósito: ¿Para qué me sirve la autoevaluación?: n

Reflexionar sobre el logro de los aprendizajes esperados y de­ sarrollo de competencias.

n

Reconocer los conocimientos, habilidades y actitudes que he adquirido durante mi aprendizaje.

n Implementar

estrategias que fomenten el desarrollo de las competencias establecidas en el bloque.

n

n

Valorar mis habilidades y actitudes en situaciones presentes en mi entorno, además de saber cómo me perciben las personas que me rodean.

n

Dirigir mis acciones de manera responsable, respetuosa y em­ pática hacia mis semejantes.

n

Fomentar al diálogo, para la retroalimentación y conclusión de actividades.

Establecer acciones que lleven a mejorar mi proceso de apren­ dizaje.

Grupo:

Fecha de aplicación:

Instrucciones: 1. Lee con atención lo que se indica y realiza la actividad conforme a las indicaciones que se establezcan. 2. Cuando hayas terminado, indica sí o no lo has logrado, o si estás en proceso de lograrlo. Criterios

Sí

No

Comentarios

Respondí correctamente a todas las actividades. Interpreté la información obtenida de acuerdo con los conocimientos planteados. Desarrollé todas las actividades integradas en el bloque. Entregué en tiempo y forma todos los trabajos solicitados. Busqué información en referencias electrónicas confiables, accesibles y de reconocimiento disciplinar. Comprendí el desarrollo de contenidos a partir de las actividades realizadas. Formulé preguntas de carácter científico, a fin de favorecer los aprendizajes. Sistematicé la información de carácter científico y planteé las hipótesis necesarias para responderlas. Contrasté los resultados obtenidos en las diferentes actividades. Elaboré conclusiones y las planteé ante mis compañeros de grupo.

¿Qué aprendí sobre el desarrollo de los conocimientos?

¿Qué debo mejorar?  Verificado por el profesor o la profesora:  209

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

Coevaluación Nombre del estudiante:

Propósito: Validar el logro de los aprendizajes esperados del bloque, a partir del desarrollo de actividades. Grupo:

Fecha de aplicación:

Instrucciones: n

Leer con mucha atención las preguntas o instrucciones que se deben realizar.

n

Cotejar la información presentada con los criterios de este instrumento e ir marcando con un x según corresponda, y

n

De ser necesario, realizar un comentario en el apartado correspondiente, a fin de que se tome en cuenta para retroalimentar y finalizar la actividad.

Acciones a evaluar:

Identifica la tetravalencia del átomo de carbono, mediante su configuración electrónica. Explica la geometría de moléculas orgánicas y los tipos de enlace que forman. Identifica los tipos de cadena que se presentan en compuestos orgánicos. Escribe los tipos de fórmulas para representar compuestos orgánicos. Distingue los tipos de isomería en compuestos orgánicos. Representa isómeros a partir de una formula molecular. Clasifica los hidrocarburos en función de la estructura y tipo de enlace. Utiliza el lenguaje químico para nombrar y formular hidrocarburos. Representa reacciones balanceadas de combustión de hidrocarburos de uso común. Identifica el grupo funcional presente en compuestos orgánicos de interés industrial y biológico. Utiliza el lenguaje químico para nombrar y formular compuestos orgánicos funcionales. Distingue las macromoléculas naturales de las sintéticas. Identifica los monómeros que constituyen a las macromoléculas naturales.

210

Cumple Sí

No

Considero que está en proceso porque…

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Acciones a evaluar:

Cumple Sí

No

Considero que está en proceso porque…

Clasifica los carbohidratos y las proteínas por el número de monómeros que forma la estructura. Explica cómo se obtiene la energía para realizar las funciones vitales a partir de la combustión de carbohidratos. Clasifica los lípidos de acuerdo con su estructura química. Asume una postura responsable sobre el uso de los diferentes químicos. Explica la importancia de los procesos biológicos e industriales presentes en el entorno. Toma decisiones de forma ética y responsable. Trabaja de forma colaborativa y organizada.

Como evaluador, ¿consideras que puede mejorar tu compañero su desempeño? ¿En qué? Escribe de forma clara las sugerencias.

Verificado por el profesor o la profesora:

211

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

Heteroevaluación Nombre del estudiante:

¿Qué es la heteroevaluación?: Este instrumento es para que tu profesor proporcione información sobre tus fortalezas y aspectos que puedas mejorar, a partir de una revisión de los aprendizajes que has adquirido durante el desarrollo del bloque. Grupo:

Fecha de aplicación:

Criterios

Explica el concepto de carbono. Define los términos de configuración electrónica, geometría molecular e hibridación (sp, sp2, sp3). Explica las cadenas abiertas y cerradas. Interpreta fórmulas a partir de sus características. Reconoce los términos de isomería e hidrocarburos. Clasifica las propiedades físicas de hidrocarburos. Clasifica las propiedades químicas de hidrocarburos. Explica la nomenclatura uiqpa de los grupos funcionales. Clasifica las macromoléculas naturales y sintéticas. Explica la importancia de los lípidos y proteínas de acuerdo con su estructura química.

Fortalezas:

Aspectos a mejorar:

Conclusiones:

Verificado por el profesor o la profesora:  212

Cumple Sí

No

Comentarios

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Autoevaluación final

Nombre del estudiante:

Propósito: ¿Para qué me sirve la autoevaluación?: n

Reflexionar sobre el logro de los aprendizajes esperados y de­ sarrollo de competencias.

n

Reconocer los conocimientos, habilidades y actitudes que he adquirido durante mi aprendizaje.

n Implementar

estrategias que fomenten el desarrollo de las competencias establecidas en el bloque.

n

n

Valorar mis habilidades y actitudes en situaciones presentes en mi entorno, además de saber cómo me perciben las personas que me rodean.

n

Dirigir mis acciones de manera responsable, respetuosa y em­ pática hacia mis semejantes.

n

Fomentar al diálogo, para la retroalimentación y conclusión de actividades.

Establecer acciones que lleven a mejorar mi proceso de apren­ dizaje.

Grupo:

Fecha de aplicación:

Instrucciones: 1. Lee con atención lo que se indica y realiza la actividad conforme a las indicaciones que se establezcan. 2. Cuando hayas terminado, indica sí o no lo has logrado, o si estás en proceso de lograrlo. Criterios

Sí

No

Comentarios

Realicé las actividades conforme a las indicaciones establecidas. Interpreté la información de acuerdo con las necesidades del contexto. Seleccioné fuentes de información confiables, actualizadas y de instituciones oficiales. Ordené la información conforme a categoría y jerarquías. Realicé anotaciones adicionales a las que se solicitaron. Anoté las referencias de las fuentes de información consultada. Resalté la información que complementa los conocimientos desarrollados. Analicé los aspectos teóricos que se desarrollaron en cada clase. Aporté elementos importantes que fueron útiles para retroalimentar los conocimientos adquiridos. Seguí instrucciones y procedimientos de forma reflexiva y responsable. Expuse mis ideas de forma clara, coherente y sintética. Expresé libremente mis ideas, mostrando respeto por las demás opiniones. Valoré la importancia de los conocimientos desarrollados y su práctica en la vida cotidiana.

213

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

Criterios

Me relacioné con los demás de forma colaborativa. Reconocí mis emociones para comunicarme de manera asertiva. Socialicé mis respuestas cuando se solicitó.

¿Qué aprendí durante el desarrollo de los bloques?

¿Qué debo mejorar?

Mis conclusiones son:

214

Sí

No

Comentarios

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Coevaluación final

Nombre del estudiante a evaluar: Nombre del estudiante que evalúa:

Propósito: Evaluar los aprendizajes esperados que el estudiante demuestra al realizar las actividades que se desarrollaron durante los bloques de aprendi­ zaje (se sugiere para exposiciones, presentaciones en plenaria, ejercicios, talleres, lecturas en voz alta, entre otras). Actividad a evaluar: Grupo:

Fecha de aplicación:

Instrucciones: n Analizar detenidamente el propósito de la actividad asignada. n

Leer con mucha atención las preguntas o instrucciones que se deben realizar.

n

Verificar que todas las preguntas o actividades estén contestadas y acorde a lo solicitado.

n

Cotejar la información presentada con los criterios a considerar en este instrumento e ir marcando con un x según corresponda, y

n

De ser necesario, realizar un comentario en el apartado correspondiente, a fin de que se tome en cuenta para retroalimentar y finalizar la actividad.

Criterios a considerar

Cumple Sí

No

Comentarios

Resuelve todas las actividades en su libro. Realiza todos los ejercicios en su libro y en su cuaderno. Sus repuestas son breves, oportunas y se relacionan con lo solicitado. Sus respuestas son entendibles y comprobables de acuerdo con los requerimientos establecidos. Realiza comparaciones con información diferente. Contextualiza sus respuestas con situaciones de la vida cotidiana. Argumenta su postura sobre asuntos de interés que impactan en su comunidad. Menciona la importancia de la actividad y de los ejercicios realizados. Indica los procedimientos utilizados para obtener resultados correctos. Menciona cómo mejorar los resultados en futuras actividades.

215

3

Compuestos del carbono y macromoléculas

Criterios a considerar

Cumple Sí

No

Comentarios

Indica los beneficios de los aprendizajes logrados. Concreta los propósitos planteados. Presenta conclusiones y da su punto de vista de forma clara y coherente. Muestra buena actitud para trabajar de forma individual, en equipo y colaborativa. Atiende las indicaciones del profesor. Muestra interés en sus aciertos y se dispone a recibir comentarios y sugerencias para hacer correcciones. Comenta sus dudas y retroalimenta la información de manera reflexiva y responsable. Coteja sus respuestas con las de sus compañeros, siempre manifestando respeto y tolerancia ante la diversidad. Privilegia el diálogo al intercambiar ideas y experiencias para fortalecer su aprendizaje y favorecer el desarrollo de competencias. Ayuda a sus compañeros a realizar las actividades y ejercicios, mostrando empatía y respeto por ellos. Asume una postura responsable y reflexiva.

Como evaluador, ¿consideras que puede mejorar tu compañero o compañera? ¿En qué? Escribe de forma clara tus sugerencias.

Verificado por el profesor o la profesora:

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Glosario Ánodo. Electrodo positivo. Antioxidante. Cualquier sustancia que retarde o inhiba la oxi­ dación. Ácido. Sustancia caracterizada químicamente por las siguientes propiedades: provoca cambios de color en los indicadores, identi­ fica las bases reaccionantes de neutralización, tiene sabor agrio y disuelve algunas sustancias como los metales. Agua blanda. Agua predominantemente libre de iones calcio Ca+2 y magnesio Mg+2. Agua dura. Agua dulce que contiene una disolución en cantida­ des importantes de iones de calcio o magnesio. Precipita el jabón en sus disoluciones e impide la formación de espuma. Agua potable. Aquella que puede beberse y utilizarse para aseo personal, preparar alimentos, regar cultivos y emplearse en las in­ dustrias. Aguas negras. Aguas residuales de origen urbano con diversos tipos de impurezas, principalmente materia orgánica y sales minerales. Alcano. Hidrocarburo de cadena abierta que sólo tiene enlaces simples. Alcohol. Compuesto orgánico con el grupo funcional OH. Almidón (disolución de). El almidón reacciona con el yodo en presencia de yoduros formando un complejo azul. La disolución de almidón se prepara triturando 2 gramos de almidón soluble y 10 mg de yoduro de mercurio (II) con un poco de agua y añadien­ do la suspensión a un litro de agua hirviendo. Se prosigue la ebulli­ ción hasta que la solución es clara, se enfría y se pasa a un frasco de vidrio. Alqueno. Hidrocarburo de cadena abierta que contiene en su es­ tructura un enlace doble. Alquino. Grupo monovalente derivado de la eliminación de un hidrógeno de un alcano. Un hidrocarburo de cadena abierta cuya estructura incluye un enlace triple.

Aseo trópica (mezcla). Mezcla de líquidos que tienen para una composición determinada punto de ebullición constante. Átomo de carbono quiral. Un átomo de carbono al que están unidos cuatro diferentes átomos o grupos. Bacterias. Microorganismos unicelulares. Existen tantas clases de bacterias que es posible encontrarlas en los lugares más diversos. Baño María. Baño de agua a una temperatura fija. Si el agua hierve su temperatura será aproximadamente 100 °C. Debe procurarse que el recipiente que introduzca en el baño no toque las paredes de éste que están a mayor temperatura. Fue inventado por María la Judía, alquimista medieval. Base. Sustancia caracterizada químicamente por las siguientes propiedades: provocan cambio de color de los indicadores, da con los ácidos reacciones de neutralización, tienen sabor amargo y tac­ to untuoso. Biodegradable. Propiedad de una sustancia química compleja por la cual puede ser descompuesta en otras más sencillas median­ te procesos biológicos naturales. Biodegradables. Sustancias orgánicas que pueden oxidar las bac­ terias. Cátodo. Electrodo negativo. Cáustico. Muy bajo, capaz de disolver la piel y las grasas para for­ mar jabón. Cera. Éster de un ácido superior y de un alcohol superior. CFC (clorofluorocarbonos). Se utilizan como líquidos de en­ friamiento en acondicionadores de aire y en los refrigeradores. Cicloalcanos. Hidrocarburos cíclicos isómeros de los alquenos que sólo contienen enlaces simples. 217

Glosario

Coagulación. Proceso por el cual un coloide se separa de una base líquida y una masa gelatinosa insoluble. Coloide. Suspensión en un líquido de partículas más pequeñas que pasan a través del papel de filtro. Pueden observarse con el ul­ tramicroscopio o por efecto Tyndall. Concentración. Cantidad de soluto disuelto en una cantidad de disolvente o de disolución. Contaminante primario. Aquel que se adiciona directamente a la atmósfera como resultado de un proceso natural o antropo­ génico. Contaminante secundario. Aquel que se forma a expensas de un contaminante primario o como resultado de una reacción en la que participa un contaminante primario. Delicuescencia. Habilidad para absorber suficiente agua de la at­ mósfera para formar una disolución. Desecador. Contenedor usado para guardar sustancias químicas y mantenerlas secas.

Éster. Combinación de un ácido orgánico y de un alcohol. Estereoisómeros. Isómeros que difieren en la distribución espa­ cial de los átomos de su molécula. Esterilización. Calentar los alimentos a una temperatura de 120 °C durante 10 minutos, o bien, llegar, aunque sólo sea un momen­ to, hasta 140 °C. Fase. Parte de un sistema, formado de cualquier número de com­ ponentes, homogénea y con límites bien determinados que la se­ paran de las otras partes del sistema y del resto del universo. Fécula. Sustancia blanca, ligera y suave al tacto, que se extrae de algunas semillas y raíces. Está compuesta de hidratos de carbono. Fórmula. Representación de un compuesto con el símbolo de cada elemento. Fórmula empírica. Fórmula que muestra las relaciones mínimas de números enteros de átomos en cada clase de compuestos. Fórmula molecular. Fórmula que muestra los números reales de cada tipo de átomos en cada clase de compuestos.

Desechos peligrosos. Cualquier desecho que puede causar muerte o enfermedad irreversible o discapacitante y que amenaza la salud humana y el medio ambiente.

Grasa. Éster de la glicerina (propanotriol) y de un ácido graso su­ perior.

Difusión. Proceso mediante el cual un soluto se aleja de un área de concentración alta a una de concentración baja.

Grupo funcional. Un átomo o grupo de átomos en n compuesto orgánico, que es el responsable de ciertas propiedades del com­ puesto.

Disolución. Mezcla homogénea de dos o más componentes. Disolvente. La sustancia que efectúa la disolución.

Hidrato. Un compuesto que contiene agua químicamente combi­ nada en proporciones definidas. Hidrocarburo. Compuesto formado únicamente por C y H.

Enzima. Sustancia que modifica y a menudo acelera la velocidad de las reacciones químicas celulares que de otra manera serían de­ masiado lentas.

Hidrocarburo alifático. Hidrocarburo que no contiene anillos aromáticos.

Equivalente. Unidad de medición igual a un peso equivalente de la cantidad de materia en una muestra de una sustancia.

Hidrocarburo aromático. Un hidrocarburo que contiene uno o más anillos con electrones pi deslocalizados.

Escaldar. Someter un alimento a la acción de agua hirviendo o de su vapor para reblandecerlo o hacerlo más comestible.

Homólogo. Los miembros individuales de una serie homóloga de compuestos.

Estequiometría. Descripción de las relaciones cuantitativas en­ tre los reactantes y los productos de una ecuación química balan­ ceada.

IMECA. Índice metropolitano para medir la calidad del aire.

218

Inerte. Que no reacciona.

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Infusión. Proceso que tiene por objeto la extracción de los princi­ pios activos solubles de una planta por medio de agua hirviendo. Se pone la planta, troceada, en un recipiente y se le agrega encima agua hirviendo. La infusión se aplica a todas las plantas que contie­ nen principios volátiles que se perderían por ebullición.

NAAQ (National Ambient Air Quality Standard). Índice estado­unidense para medir la contaminación ambiental.

Isomería. La existencia de dos o más moléculas o iones con com­ posiciones idénticas, pero diferentes estructuras.

NPA. Nitrato de peracetilo. Contaminante primario de la atmósfera.

Isómeros. Moléculas o iones de composición idéntica, pero de diferente estructura. Lípidos. Sustancias orgánicas llamadas comúnmente grasas, inso­ lubles en agua, solubles en benceno y en éter, y formadas por áci­ dos grasos unidos a otros cuerpos. Líquido extracelular. Es aquel que está fuera de las células. Líquido intersticial. Sustancia en un estado líquido que separa a dos sustancias. Lluvia ácida. Lluvia provocada por el ácido sulfúrico al reaccio­ nar el trióxido de azufre (SO3) con el agua. Masa. Propiedad que refleja la cantidad de materia de un cuerpo. Mezcla. Una combinación de dos o más sustancias que pueden separarse por medios físicos. Mezcla heterogénea. Mezcla que consta de dos o más sustancias que retienen sus propias propiedades. Mezcla homogénea. Mezcla que consta de dos o más sustancias, pero es uniforme en su composición; es decir, cada parte de la mez­ cla es exactamente como cada una de las otras. Mol. Cantidad de una sustancia que contiene el mismo número de partículas que hay en 0.012 g de carbono-12 (esto es, 6.023 3 1023 partículas). Molaridad. Una unidad de concentración para disoluciones: mo­ les de soluto por litro de disolución.

Normalidad. Una unidad de concentración para disoluciones: equivalentes de soluto por litro de disolución.

Número de Avogadro. Número de átomos exactamente igual a 12 g del núclido C-12 (6.023 3 1023). Ósmosis. El paso de un disolvente a través de una membrana se­ mipermeable. Ozono (O3). Contaminante de la atmósfera. Polímero. Molécula grande o macromolécula de peso molecular elevado formada por la polimerización de un gran número de mo­ léculas de bajo peso molecular. Las moléculas individuales que forman el polímero se llaman “monómeros”. Precipitado. Una sustancia sólida que se separa de una disolu­ ción en el curso de una reacción química. Presión osmótica. La cantidad de presión que debe aplicarse para prevenir el flujo de un disolvente a través de una membrana semipermeable. Procesos metabólicos. Reacciones que se efectúan dentro de un organismo. Proteína. Sustancia constitutiva de la materia viva, formada por una o varias cadenas de aminoácidos. De valor primordial en la vida de los seres vivos. Smog fotoquímico. Compleja mezcla de compuestos químicos producidos por los contaminantes del aire. Volátil. Sustancia que pasa del estado líquido al gaseoso sin calen­ tamiento.

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Bibliografía

Bibliografía American Chemical Society. Chemistry in context: Applying Chemistry to Society, McGraw-Hill, EUA, 2a. edición, 1998. Andrews, J.E. et al. An Introduction to Enviromental Chemistry, Blackwell Science, Reino Unido, 1996. Asimov, I., Breve historia de la química, Alianza Editorial, Madrid, 1975. _____, Enciclopedia Biográfica de Ciencia y Tecnología, Alianza Editorial Mexicana, México, 1988. Bettelheim, Frederick, et al. Introduction to General, Organic and Biochemistry, 8a. ed., Thomson. USA, 2007. Burton, D., Routh, J., Química orgánica y bioquímica. Edit. Interamericana, México, 1997. Chang, Raymund. Química, 1a. edición, McGraw-Hill. México, 2002. Chow, S. Petroquímica y sociedad. La ciencia desde México, núm. 39, México, 1987. Cifuentes, J. Torres, P. Frías, M.  El océano y sus recursos. La ciencia desde México, núm. 63, México, 1988. Dalmau, J.F., M. Pérez, J. Satoca, Química 1, Bachillerato, Edit. Anaya, 2003. Dickson, T.R., Química. Enfoque ecológico. Limusa. México, 1980. Garritz, A., Chamizo, J.A. Química, Addison-Wesley Iberoamericana, México, 1994. Morrison, R.T., Boy, R.N. Química orgánica. Addison-Wesley Iberoamericana, México, 1997. Mosqueira, P. Salvador,  Introducción a la química y el ambiente, 3a. edición, Grupo Editorial Patria, México, 2011. Ocampo, G.A., Fundamentos de química III y IV, PCSA, México, 1997. Peralta y Fabi Ricardo, Del espacio al subsuelo. La ciencia desde México, FCE-SEP, núm. 86, México, 1989. Ramírez, R. Víctor, Química 1, 2, 3 y 4, 1a. edición, Grupo Editorial Patria, México, 2011. –––––––––,  Química I y II. Grupo Editorial Patria. 1a. Reimpresión , México, 2007. –––––––––, Química general, 1a. edición, Grupo Editorial Patria, México, 2011. –––––––––,  Química general, 3a. edición, Grupo Editorial Patria, México, 2011. –––––––––,  Química II, Edit. Publicaciones Cultural. México, 2005. 220

Grupo Editorial Patria ®

Ramírez, V. y Monsalvo, R., Química 1, Publicaciones Cultural, México, 1996. _____, Química 2, Publicaciones Cultural, México, 1996. _____, Química 3, Publicaciones Cultural, México, 1996. Soberón, J. Ecología y poblaciones. La ciencia desde México, núm. 82.

Direcciones electrónicas http://www.caminantes.metropoliglobal.com/ http://www.nasa.gov/audience/foreducators/Redirect_Spacelink.html http://pagciencia.quimica.unlp.edu.ar/ http://www.quimicarecreativa.org http://www.yahoo.com/education

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