Ciencias+naturales+1+es+huellas+capitulo+1+pag+10+a+27.pdf

huellas

huellas

[ 1 ] ES Ciencias naturales | Patricia Alberico | Alejandra Florio | Marcela Gleiser | | Sofía Martínez | Federico Taddei | Roberto Venero | | Colaboración especial: Gabriel Gellon y Diego Golombek |

E12-19239-.indd 1

14/11/12 15:59

10 Contenidos: Propiedades de la materia: generales y específicas • Constitución de la materia • Modelos atómicos • Átomos y moléculas • Cambios físicos y cambios químicos • Modelo corpuscular.

1 La materia y sus propiedades

E12-19239-.indd 10

14/11/12 16:00

11

[eSTUdIO DE CASo] ¿Qué es esa sustancia? El oficial novato entró nuevamente en la escena del crimen y encontró restos de un polvo blanco, cerca de las tazas de té. —Jefe, ¿qué podrá ser esto: quizá… veneno? —Buena observación, Ramírez —replicó el oficial al mando—. Probablemente no es nada y casi seguro no es arsénico, pero envíe una muestra al laboratorio para su identificación. Un polvo blanco puede ser muchas cosas, harina, bicarbonato de sodio, azúcar impalpable o sal, drogas ilegales o arsénico blanco, un poderoso veneno. ¿Pero cómo hacen en el laboratorio para determinar la identidad de una muestra, para saber de qué sustancia se trata? Todas las pruebas de laboratorio consisten básicamente en estudiar las propiedades de la muestra y compararlas con las propiedades de sustancias conocidas. Por ejemplo, ¿es sólido, líquido o gaseoso a temperatura ambiente?, ¿cuál es su color?, ¿se disuelve en agua?, ¿en alcohol?, ¿qué densidad tiene?, ¿qué punto de fusión tiene?, ¿se parece en algunas de estas características a alguna sustancia conocida? Además, es muy útil estudiar las propiedades químicas de la muestra, es decir, cómo se comporta frente a otras sustancias. Si el polvo blanco burbujea con ácido, es probable que se trate de una

E12-19239-.indd 11

[ ]

sustancia alcalina, como el bicarbonato, que al reaccionar con un ácido forma una sal y libera un gas. Si al mezclarla con yodo se vuelve azul oscuro, es posiblemente harina u otra sustancia que contenga almidón, que reacciona con el yodo de esta manera. Vemos que las propiedades de los materiales resultan útiles para determinar su presencia en distintas mezclas y, en este caso, para saber si fueron instrumentos de un crimen. El arsénico (en realidad, óxido de arsénico) fue durante mucho tiempo difícil de detectar en cantidades pequeñas y usado frecuentemente como veneno en homicidios. Lo que el oficial a cargo de esta investigación sabe y el novato quizá no es que desde la invención de un test en 1836, llamado de Marsh, es muy fácil detectar pequeñas cantidades de arsénico en líquidos y cadáveres, con lo que los homicidas ya no optan por él.

Si ustedes trabajaran en el laboratorio forense al que llega la muestra y sospecharan que se trata de una sustancia conocida que se disuelve en alcohol pero no en agua y que hierve a 70 ºC, ¿cómo lo comprobarían? Mencionen una propiedad que tengan en común el agua y el mercurio y una propiedad que los diferencie.

*

¿Cómo describirían las propiedades de una sustancia como el aceite de cocina? ¿Lo compararían con otros materiales para hacerlo? ¿Con cuáles?

*

›› observar e interpretar fenómenos naturales. Relación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente.

14/11/12 16:00

bloquE

1 • capítulo 1

12

La materia y las propiedades de los materiales Todos los materiales que nos rodean, como nuestra ropa, los alimentos que ingerimos, los útiles que usamos y hasta el aire están compuestos por materia. La materia puede estar en diferentes estados: sólida, como el grafito de las minas de los lápices; líquida, como el agua de la canilla, y hasta gaseosa, como el oxígeno que respiramos. Los distintos materiales que existen están compuestos por materia que tiene distintas características. Algunos materiales son fáciles de quemar, otros se derriten a bajas temperaturas y algunos ocupan mucho espacio. Todas estas son propiedades de la materia que los conforman. A medida que el ser humano empezó a conocer las propiedades de los materiales que hay en la naturaleza, comenzó a combinarlos y a elaborar nuevos materiales con nuevas propiedades. El hierro, por ejemplo, al ser mezclado con carbono forma un material más resistente que estando puro. El conocimiento de las propiedades de los materiales también permite elegir el material más adecuado a la hora de fabricar un objeto. Hace muchos años las muñecas tenían la cara y las extremidades hechas de porcelana, un material muy frágil. Por eso, en la actualidad, para hacer muñecas se utilizan variedades de plástico que son irrompibles y duran más tiempo. hierro

acero

El acero se utiliza para reemplazar el hierro ya que es un material más resistente y es más difícil que se oxide.

Propiedades generales Toda la materia, sin importar el tipo de material del que forme parte, tiene una masa y un volumen. Estas propiedades que son compartidas por todos los materiales se llaman propiedades generales. La masa es la cantidad de materia que contiene un objeto, se la puede determinar mediante una balanza y se la expresa en unidades como el gramo (g), el miligramo (mg) o el kilogramo (kg). El volumen es el espacio ocupado por un material o por un objeto y se expresa en unidades como el decímetro cúbico (dm3) o el centímetro cúbico (cm3), entre otras.

E12-19239-.indd 12

Aunque estos marcadores estén hechos con los mismos materiales, al ser de distinto tamaño tienen distinta masa y volumen.

14/11/12 16:00

13

Propiedades específicas Las propiedades generales de la materia no sirven para diferenciar un material de otro. Saber que un cuerpo tiene una masa de 1 kg o un volumen de 8 cm3 no es suficiente para determinar de qué material es el objeto. Existen propiedades llamadas específicas que son propias de cada material y que sirven para reconocerlos. El punto de ebullición, el punto de fusión y la densidad, son ejemplos de propiedades específicas. 29 ºC

29 ºC

son independientes de la cantidad de material. 2 g de agua hierven y se funden a la misma temperatura que un 1 kg de agua. Por eso, a estas propiedades se las llama constantes físicas.

[ ]

eSTUdIO DE CASo

Investiguen el punto de fusión del azúcar, la sal de mesa y el arsénico. ¿Se podría usar un termómetro de los que tienen en sus casas para identificarlos? ¿Por qué? ›› Describir y explicar fenómenos químicos utilizando teorías y observaciones personales

La densidad

Las constantes físicas, como el punto de fusión o ebullición, son independientes de la cantidad de material.

Punto de ebullición y punto de fusión Si se calienta un recipiente con agua pura, al cabo de unos minutos esta hierve. Si en ese momento se mide la temperatura, el termómetro marcará 100 °C. Esta temperatura, a la que toda el agua pura pasa del estado líquido al gaseoso se denomina punto de ebullición. Cada material tiene un punto de ebullición característico que lo identifica. La temperatura a la que un material pasa del estado sólido al estado líquido se llama punto de fusión y también es una propiedad específica. Tanto el punto de ebullición como el de fusión

La cantidad de material que entra en un volumen determinado es una propiedad específica y se llama densidad. Se mide en gramos por centímetro cúbico (g/cm3). La densidad del plomo es de 11,35 g/cm3 y la del agua es de 1 g/cm3. Un material es más denso cuanta más cantidad entra en un determinado volumen. La densidad cambia de acuerdo al estado. El hielo, por ejemplo, es menos denso que el agua líquida. Eso hace que flote. plomo

1 cm3

11,35 g/cm3

carbón

1 cm3

1,50 g/cm3

hielo

1 cm3

0,90 g/cm3

La densidad es la cantidad de materia por unidad de volumen que tiene un material.

ACtIVIDADES 1. ¿Cuál es la diferencia entre una propiedad general y una específica? 2. Un estudiante llenó con agua pura dos vasitos con distinta capacidad, uno de 200 ml y el otro de 100 ml. Los metió dentro del freezer.

E12-19239-.indd 13

a. ¿El agua de cada recipiente habrá tardado lo mismo en congelarse? ¿Por qué? ¿Se habrán congelado a la misma temperatura? ¿Por qué? 3. Alguna vez habrán puesto aceite en un recipiente con agua, ¿cuál creen que es más denso, el aceite o el agua? ¿Por qué?

14/11/12 16:00

bloquE

1 • capítulo 1

14

Cómo está constituida la materia Todos los materiales están constituidos por materia, pero, ¿cómo está formada la materia? Hace unos 2.600 años, el filósofo griego Empédocles (ca. 495/490 a. C.- ca. 435/ 430 a. C.) propuso que la materia estaba conformada por cuatro elementos básicos: el agua, la tierra, el aire y el fuego. En el siglo v a. C., Aristóteles retomó estas ideas. Para él, las plantas estaban formadas en mayor proporción por tierra y agua que por los otros elementos. Estas ideas también formaron parte de otras culturas, como la de muchos pueblos originarios de América.

Las ideas atomistas

Aristóteles consideraba que todos los seres y los objetos estaban constituidos por una combinación de cuatro elementos: agua, tierra, aire y fuego.

Existieron otros filósofos que se hicieron preguntas respecto de la materia. Uno de ellos fue Demócrito (460 a. C.-370 a. C.), quien junto con su discípulo Leucipo (ca. 460 a. C.-ca. 370 a. C.) tenía ideas opuestas a las aristotélicas. Se dice que un día mientras caminaba por la playa Demócrito pensó que la materia estaba constituida por pequeñas partículas del mismo modo que la playa estaba formada por pequeños granos de arena. Así propuso que la materia estaba constituida por partículas muy pequeñas, tanto que eran invisibles a simple vista y que además no se las podía dividir en partes menores. Las denominó átomos.También postuló que entre los átomos había huecos en los cuales no había ninguna clase de materia, es decir, había vacío. Por este motivo, sostenían que la materia era discontinua. Las ideas de Demócrito y Leucipo no tuvieron aceptación ni en su época ni durante muchos siglos ya que se creía firmemente en la teoría de los cuatro elementos. Pero en la ciencia nunca está dicha la última palabra.

Demócrito fue uno de los primeros en proponer la existencia de los átomos.

planta

átomos

roca

Los atomistas sostenían que toda la materia estaba constituida por partículas indivisibles entre las que había vacío.

E12-19239-.indd 14

14/11/12 16:00

15

Los átomos y las moléculas Según el modelo aristotélico, si se dividiera un material, los elementos que lo componen podrían estar en relaciones de proporción en las que no estén representados por números enteros, por ejemplo, 0,56 partes de aire cada 0,30 partes de fuego. En 1774, el inglés Joseph Priestley (1733-1804) descubrió que el aire está conformado por distintos

materiales entre los cuales se encuentra el oxígeno, es decir, no era un material fundamental, ya que estaba formado por otros materiales. Por su parte, el químico Joseph Proust (1754-1806) demostró que “las partes” que forman una sustancia siempre están en números enteros de elementos que permanecen constantes, incluso cuando la sustancia se combina con otras.

EX P E R I M E NTO S E N P A P E L ¿Se pueden dividir en fracciones los elementos que forman la materia? HIPÓTESIS: la cantidad de cada elemento que forma una sustancia es un número entero y no una fracción. PREDICCIÓN: si se analiza la composición de diferentes cantidades de cloruro de sodio, se observará que las cantidades de cloro y sodio que las forman siguen una proporción constante. PROCEDIMIENTO: Proust descompuso distintos minerales de cloruro de sodio.

El inglés John Dalton (1766-1844), había defendido las ideas de Demócrito acerca de la composición de la materia. Los experimentos de Proust confirmaron sus hipótesis. Publicó cuatro supuestos fundamentales sobre la materia: toda la materia está compuesta por átomos, indivisibles y sólidos (es decir, sin huecos en su interior); los átomos son indestructibles y se mantienen inalterados durante una reacción química; existen distintos tipos de átomos, cada uno es de un elemento químico distinto, y, por último, cada átomo tiene un peso atómico característico. En 1913, el danés Niels Bohr (1885-1962) propuso un modelo en el que los átomos están compuestos por un núcleo central que contiene partículas de carga eléctrica positiva: los protones. Alrededor del núcleo, se encuentran los electrones (partículas de carga eléctrica negativa), girando en órbitas. Más tarde se descubrió la existencia de partículas sin carga en el núcleo, los neutrones.

E12-19239-.indd 15

[ ]

RESULTADOS: Proust observó que la proporción de cloro y de sodio presente en cualquier muestra de cloruro de sodio era 1:1, por ejemplo. No encontró ningún compuesto cuya proporción de elementos fuera 1,5: 1, o cualquier otro decimal. CONCLUSIÓN: luego de realizar sus experimentos, Proust concluyó que la materia tiene que estar constituida por unidades discretas, indivisibles. La teoría atómica empezaba a tomar forma nuevamente. ›› Interpretar experimentos históricos.

De acuerdo con el modelo actual, los átomos no son partículas indivisibles, como Dalton imaginó, sino que están compuestos por partículas menores: los protones, los electrones y los neutrones. Los científicos razonaron que átomos de distinto tipo se podían asociar y formar moléculas y, de este modo, conformar toda la materia del Universo. núcleo

neutrones protones electrones

Modelo atómico de Bohr en el que se incluyen los neutrones.

ACtIVIDADES 1. ¿Qué pista dio el experimento de Proust con respecto a la teoría atómica? 2. ¿Cómo imaginaban los científicos del siglo xx que estaba formada la materia?

14/11/12 16:00

bloquE

1 • capítulo 1

16

Los cambios de la materia En la materia ocurren cambios, algunos los vemos en lo inmediato como cuando se enciende un fósforo o se derrite un cubito de hielo. Otros, como la formación de un glaciar, tardan miles de años en producirse. Existen cambios que se dan naturalmente, como el crecimiento de una planta, y otros que son realizados por los humanos, como la extracción de azúcar de la caña. En algunos casos, después de un cambio, el material sigue estando conformado por los mismos componentes; pero en otros casos, después del cambio, aparece un material nuevo, formado por nuevos componentes.

Los cambios físicos Si rompemos una hoja de carpeta, la celulosa con que se fabrica el papel sigue siendo celulosa y está presente en cada uno de los trocitos que quedan. Si cambiamos de lugar un florero, la cerámica con que está hecho este objeto no deja de ser cerámica. Estos cambios, en los cuales el material sigue siendo el mismo se denominan cambios físicos. Los trozos del vaso roto siguen siendo de vidrio. La plastilina solo cambió de forma. Estos son cambios físicos.

Cuando se prepara una ensalada de frutas, se cortan las frutas en trozos y luego se mezclan. Los componentes de cada trozo siguen siendo los mismos de la fruta original y entera. Lo mismo ocurre cuando se agrega sal al agua para cocinar. La sal y el agua se mezclan, pero siguen siendo los mismos materiales. En los cambios físicos, es posible volver a obtener los materiales tal como estaban inicialmente. En el ejemplo del agua y la sal, se puede evaporar toda el agua y en el fondo del recipiente quedará la sal. El vapor de agua puede recuperarse y enfriarse para que vuelva al estado líquido. Así ambos materiales vuelven al estado inicial, antes de ser mezclados. Cuando se prepara una mezcla ocurre un cambio físico. CIEnCIA eN ACCIÓN

[ ]

La sal para evitar accidentes

Cuando se cortan verduras para preparar una ensalada, las sustancias que constituyen las verduras no cambian.

E12-19239-.indd 16

Si se agrega sal a un poco de hielo ocurre un cambio físico, ya que tanto el hielo como la sal no cambian. Sin embargo, se produce una disminución del punto de fusión del hielo. Por eso, en los lugares donde los inviernos son muy fríos, se suele esparcir sal sobre la nieve de las carreteras. Así se evita que se derrita y haga patinar a los autos. ›› Relación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente.

14/11/12 16:00

17

Los cambios de estado Los materiales se presentan en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Estos estados pueden cambiar dependiendo de la temperatura. Por ejemplo, cuando se saca un cubito de hielo de la heladera, el agua en estado sólido, recibe calor del ambiente, aumenta su temperatura y se empieza a derretir hasta transformarse en agua líquida. Ha ocurrido un cambio de estado sólido a líquido, pero el material sigue siendo agua. Del mismo modo, cuando se calienta el agua contenida dentro de un jarro hasta que hierva, el vapor que se observa sigue siendo agua, solo que ahora está en estado gaseoso. Es decir, los cambios de estado son cambios físicos. Algunos cambios físicos, toman energía del medio, es el caso de los pasajes de sólido a líquido, de líquido a gas o de sólido a gas. Los cambios inversos liberan energía al ambiente, es el caso de los pasajes de gas a líquido, de gas a sólido y de líquido a sólido.

Cambio De sólido a líquido

Nombre fusión

Energía (calor) toma

De líquido a sólido

solidificación

libera

De líquido a gas

vaporización

toma

De gas a líquido

condensación

libera

De sólido a gas

volatilización

toma

De gas a sólido

sublimación

libera

Algunos cambios físicos se producen sin que haya un cambio de estado. Por ejemplo, cuando un gas recibe calor se dilata, es decir, aumenta su volumen y se contrae si pierde calor. Lo mismo ocurre con los metales y muchos materiales de construcción, por eso es necesario tener en cuenta el espacio que los materiales ocuparán cuando se calienten. Entre las baldosas se pone un material que se dilata con el calor.

baldosas

material flexible

condensación nieve (solidificación) lluvias

evaporación evaporación

fusión

El ciclo del agua es un ejemplo de transformaciones o cambios físicos, ya que el agua pasa por los tres estados, pero en ningún momento deja de ser agua.

ACtIVIDADES 1. Cuando llueve o se baldea un patio un día soleado, al cabo de un tiempo este se seca. a. ¿Por qué ocurre esto? b. ¿Ocurrió un cambio físico? ¿Por qué?

E12-19239-.indd 17

2. Den dos ejemplos de cambios que ocurren naturalmente, de cambios que son realizados por los humanos y de cambios de estado del material, diferentes a los que se mencionan en el texto.

14/11/12 16:00

bloquE

1 • capítulo 1

18

el modelo corpuscular Actualmente, todos los científicos coinciden en que la materia está formada por átomos. Estos átomos, muchas veces se agrupan formando moléculas. También pueden tener carga eléctrica, en ese caso son iones y se unen con otros iones formando compuestos iónicos. A los átomos, moléculas o iones que forman los materiales se los llama de manera genérica partículas o corpúsculos. Para estudiar ciertos fenómenos, no es necesario saber en detalle cómo son los átomos, moléculas o iones. Se los puede representar mediante un modelo simplificado en el que en general se los describe como puntos o esferas que interactúan entre sí. Esta simplificación se usa para explicar ciertas propiedades de la materia que no dependen de los detalles de la estructura interna de los átomos o de las moléculas. Este es el modelo corpuscular o modelo de partículas y es útil para entender muchos fenómenos. Entre las partículas, existen fuerzas de atracción y fuerzas de repulsión. Estas fuerzas son las causas de las interacciones entre las partículas que se pueden representar con el modelo corpuscular.

Los estados de agregación y el modelo corpuscular El modelo de partículas es muy útil para explicar los estados de agregación. En cada estado de agregación en el que se encuentran los materiales, el comportamiento de las partículas que lo forman es distinto. También lo son las fuerzas de interacción entre ellas. Si las partículas se mueven poco, prevalecen las fuerzas de atracción entre ellas y estas permanecen cerca. Si se mueven más rápido y las fuerzas disminuyen, pueden empezar a alejarse unas de otras. Si se mueven más rápido aun, se alejan más.

sólido

E12-19239-.indd 18

líquido

gaseoso

partículas

partículas

En los sólidos, las fuerzas de atracción son muy fuertes. Las partículas se mueven poco. Esto hace que se acerquen y que estén muy juntas. Por este motivo, los sólidos tienen una forma y un volumen determinados. Además, no se los puede comprimir. Esto ocurre porque si se los presiona, al no haber espacio suficiente entre las partículas, el material se rompe.

En los líquidos, las fuerzas de atracción son grandes, pero no tanto como para que las partículas estén tan juntas. Además, las partículas se desplazan unas sobre otras. Los líquidos tienen un volumen propio y adquieren la forma del recipiente que los contiene. El hecho de que las partículas se desplacen de este modo explica por qué los líquidos fluyen al volcarse.

partículas

En los gases, las fuerzas de atracción son pequeñas. Por eso, las partículas están muy separadas y se mueven muy rápido, chocan entre sí y contra el recipiente en el que estén. Así, ejercen presión. Como hay espacio entre las partículas, los gases se pueden comprimir. Además, como las partículas se mueven por todo el espacio disponible, los gases fluyen sin inconvenientes.

14/11/12 16:00

19

Los cambios físicos y el modelo corpuscular ¿Por qué la manteca se derrite? ¿Cómo se mezclan la sal y el agua? ¿Por qué el agua se evapora? Estas preguntas se pueden responder si se tiene en cuenta el modelo corpuscular o de partículas. Cuando un material se calienta como, por ejemplo, el agua, las partículas que lo constituyen comienzan a moverse más rápido. Así, las fuerzas de atracción entre ellas disminuyen y de este modo las partículas tienen la posibilidad de moverse más y “rodar” unas sobre otras. Cuando esto ocurre, el agua pasa al estado líquido. Si se continúa entregando calor al agua, la velocidad de las partículas aumenta al igual que las fuerzas de repulsión, las partículas se fusión evaporación A B alejan y el líquido se evapora. De lo contrario, si un material pierde calor, sus partículas comienzan a moverse más despacio, esto hace que aumentan las fuerzas de atracción que existen entre ellas. Al aumentar estas fuerzas, las partículas se acercan cada vez más. Esto es lo que ocurre en el pasaje de gas a líquido y de líquido a sólido. En los cambios en los que se gana calor, las partículas aumentan Cuando se produce una mezcla, al igual su rapidez y se alejan (A). En los que se pierde calor, se mueven que en los cambios de estado, también sucemás lento y se acercan (B). den cosas que pueden explicarse con el modelo de partículas. Si se mezcla azúcar y agua, por ejemplo, las partículas de azúcar se meten en los huecos vacíos que hay entre las partículas del agua. De este modo, se produce una mezcla perfecta llamada solución. partículas de azúcar azúcar

agua

partículas de agua

Cuando se forma una solución, las partículas de uno se meten en los huecos vacíos entre las partículas del otro.

CIEnCIA eN LA NeT

[ ]

En el siguiente sitio de Internet, podrán observar mediante simuladores cómo se explican los estados de agregación y los cambios de estado según el modelo de partículas: http://goo.gl/0xnsj Luego de realizar las simulaciones que aparecen en cada pestaña, resuelvan las actividades finales del sitio. ›› uso de tIC en la búsqueda y análisis de información.

ACtIVIDADES 1. Expliquen en sus carpetas las siguientes situaciones, utilizando el modelo de partículas: a. un globo se calienta al sol y se “hincha”. b. Se mezclan agua y alcohol. 2. La naftalina es un material que se utiliza como

E12-19239-.indd 19

antipolillas, en forma de pastillas. Se coloca sólida al terminar el invierno y al año siguiente solo queda su aroma en la ropa. a. ¿Qué cambio de estado ha ocurrido? b. Explíquenlo mediante el modelo de partículas.

14/11/12 16:00

bloquE

1 • capítulo 1

20

Las transformaciones químicas Si quemamos una hoja de papel, cuando termine de arder, observaremos que el papel ya no está y en su lugar aparecen cenizas. Además, veremos que sale humo. Esto ocurre porque la celulosa con que se fabrica el papel deja de ser celulosa y se transforma en cenizas, en gas dióxido de carbono y en vapor de agua. Si preparamos caramelo, en un primer momento veremos que el azúcar comienza a derretirse, es decir, se produce un cambio físico. Pero, si continuamos calentando, observaremos que el color transparente se vuelve marrón oscuro. El azúcar original dejó de ser azúcar y se carbonizó, por eso la coloración marrón oscura. Estos cambios en los cuales la sustancia se transforma en otra diferente se denominan cambios químicos. Las sustancias que forman parte de los ingredientes de la torta se transforman en otras una vez que la torta se cocina. Sufren cambios químicos.

Existen otros cambios químicos en los cuales el fuego no interviene. Así, por ejemplo, cuando se toma un antiácido para el estómago, muchas veces la pastilla debe disolverse en agua. Al hacerlo, se observa la formación de burbujas, es decir, la efervescencia. Estas burbujas indican que se está formando una nueva sustancia gaseosa a partir de la combinación de los sólidos de la pastilla con el agua líquida. Lo mismo ocurre si se mezclan bicarbonato de sodio y vinagre. El bicarbonato de sodio es un tipo de sustancia que se llama básica o alcalina y el vinagre es ácido. Cuando se juntan una base y un Si se mezclan bicarboácido, se produce una reacción quínato de sodio y vinagre, mica que da como resultado nuevas se produce un cambio químico en el cual se sustancias como sales y gases. forma un gas. Esto se Los cambios químicos pueden comprueba al observar la formación de ser una herramienta muy útil para burbujas. identificar sustancias desconocidas. Por ejemplo, el almidón reacciona con yodo y da como resultado una eSTUdIO DE CASo sustancia: almidón de color azul oscuro. Si se quiere comprobar si una Indiquen qué cambios químicos se mencionan en la apertura y expliquen por qué lo son. sustancia es básica, se puede mezclar ¿Cómo harían para determinar si la sustancia con ácido y observar el resultado, si misteriosa es bicarbonato de sodio? la solución disminuye su acidez, la ›› Describir y explicar fenómenos químicos utilizando hipótesis era correcta. teorías y observaciones personales.

[ ]

E12-19239-.indd 20

14/11/12 16:00

La electrólisis, un cambio químico de importancia industrial El aluminio es uno de los materiales más abundantes de la corteza terrestre. Además, es de suma importancia tanto en la industria como en la vida cotidiana. Se lo utiliza para la fabricación de telescopios y espejos, papel de aluminio para envolver alimentos y latas para contener bebidas. En la industria aeronáutica, es utilizado en el fuselaje de los aviones. En la industria eléctrica, se usa en la fabricación de cables de alta tensión debido a su poco Bauxita, mineral del que se peso y su conductividad. En la naturaleza, se lo encuentra combinado forextrae el aluminio. mando un mineral llamado bauxita. A lo largo de la historia de la humanidad y a partir del descubrimiento del fuego, se desarrollaron muchos métodos para poder obtenerlo puro a partir de este mineral. Hasta que en 1886 el estadounidense Charles Hall y el francés Paul Héroult, trabajando por separado y sin compartir información, desarrollaron el método para obtener aluminio puro que se conoce como proceso Hall-Héroult. El aluminio está presente en la bauxita formando un compuesto llamado alúmina. En el proceso de HallHéroult se mezcla el mineral con sustancias que permiten separar la alúmina. Luego, esta se disuelve en un baño líquido de un material llamado criolita. una vez disuelta la alúmina, se pasa corriente eléctrica por la mezcla. Este proceso se llama electrólisis y se vale de la energía eléctrica para producir reacciones químicas. En este caso, se produce una reacción en la que el aluminio se separa de la alúmina y en la que se libera dióxido de carbono. El aluminio obtenido se encuentra líquido a la temperatura de la cuba donde ocurre la electrólisis que es superior a los 600 °C. Al ser más denso que la criolita se deposita en el fondo de la cuba y se retira de la misma por la parte inferior. Luego se lo coloca dentro de moldes y se lo deja enfriar hasta Mencionen los cambios químicos y los que se solidifica. cambios físicos que se producen durante el En nuestro país, el aluminio se fabrica en la emproceso de obtención de aluminio. a. Expliquen por qué los consideraron químicos presa ALuAR que tiene su planta productora en o físicos en cada caso. la ciudad de Puer to Madryn, en la provincia del b. utilizando el modelo de par tículas, expliChubut. El nombre de esta empresa viene de las paquen los cambios del aluminio desde que es labras Aluminio Argentino. purificado.

21

Ciencia en acción

[ ]

*

¿Qué quiere decir que el aluminio es más *denso que la criolita? La planta de ALUAR está ubicada relativa*mente cerca de la central térmica El Chocón-

La reacción de electrólisis se realiza en cubas a altas temperaturas en las que se obtienen aluminio fundido y criolita.

E12-19239-.indd 21

Cerros Colorados. a. Investiguen en Internet qué función cumple esta central térmica. b. ¿Por qué creen que ALuAR está ubicada cerca de esta central? ›› Relación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente.

14/11/12 16:01

Taller de Ciencias

22

¿Es mejor el jugo de naranja recién exprimido que el de otro día? El jugo de las frutas nos proporciona nutrientes muy importantes, las vitaminas. Los cítricos como la naranja o el pomelo aportan vitamina C. una forma de determinar la presencia de vitamina C en un jugo de fruta es agregar un poco de almidón al jugo y luego yodo, gota a gota. Mientras haya vitamina C presente, esta se mezclará con el almidón. Pero cuando se haya acabado, el almidón reaccionará con el yodo en solución y aparecerá un color azul intenso. Cuantas más gotas de solución de yodo (llamado lugol) se hayan agregado al jugo sin que se ponga azul, mayor será la cantidad de vitamina C contenida.

[HIPÓTeSIS DE tALLER] La concentración de vitamina C en un jugo decae con el tiempo. [PredICCIÓN] La cantidad de gotas de lugol que se agreguen a un jugo recién exprimido sin que se ponga azul será mayor a las que se agreguen a jugos que fueron exprimidos hace más tiempo. [MATerIALeS A utILIZAR] Jugos de una naranja de tres, dos y un día de haber sido exprimidos naranjas 1 exprimidor 1 cuchillo Solución de yodo (lugol) Almidón de maíz 1 cucharita 1 gotero 5 vasitos de vidrio o plástico 1 probeta o un jarro medidor 1 marcador indeleble. [PrOCedIMIeNTO PoR PASoS]

1. Para preparar los jugos, 3 días antes de hacer la experiencia corten una naranja, exprímanla y coloquen el jugo dentro de un vasito. Rotulen el vaso con el n° 3. Guarden el jugo en la heladera. Hagan lo mismo 2 días antes de la experiencia y luego 1 día antes, rotulen los vasos como nº 2 y nº1, respectivamente.

2. El día de la experiencia, saquen los vasitos de la heladera y llévenlos con cuidado a la escuela. 3. Para comenzar la experiencia, una vez en el aula, corten una naranja y exprímanla en el momento. Colóquenla dentro del vasito n° 0.

4. En otro vaso coloquen agua de la canilla y rotúlenlo como Control. 5. Con la cucharita, agreguen una puntita de almidón a cada uno de los vasitos y revuelvan bien.

6. Con un gotero, vuelquen gota a gota el lugol dentro de cada uno de los vasitos revol-

E12-19239-.indd 22

14/11/12 16:01

23

viendo continuamente. Cuenten las gotas que se usan de lugol en cada vaso hasta que aparezca un color azul. Es probable que el color final sea de un marrón azulado debido al color naranja del jugo.

7. Registren los resultados en una tabla como la siguiente. Muestra

Gotas de lugol utilizadas hasta el cambio de color

Vaso 0 Vaso 1 Vaso 2 Vaso 3 Control

[¿QUÉ reSULTAdOS eSPerAMOS?] Se espera que cuanto más fresco sea el jugo más vitamina C tendrá. Si esto es así, se necesitará agregar más gotas de lugol hasta observar el resultado de la reacción entre el almidón y el lugol, que es el cambio de color de la muestra. ¿Qué esperan que ocurra en el vaso Control? Analicen los resultados obtenidos luego de la experiencia y elaboren una conclusión de la misma. ¿Se comprobó la hipótesis planteada? ¿Y la predicción? ACtIVIDADES

1. Imaginen que un grupo de estudiantes realizó una experiencia parecida a esta, pero compararon la cantidad de vitamina C en un jugo preparado con polvo y otro natural recién hecho. Los resultados se ven en la siguiente tabla. Jugo

Gotas de lugol utilizadas

Artificial

2

Natural

5

Control

1

a. ¿Cuál habrá sido la hipótesis de la experiencia en este caso? b. ¿A qué conclusión habrán llegado los estudiantes?

2. ¿Por qué la cantidad de naranjas utilizadas en la experiencia de este taller fue la misma? ¿Qué creen que hubiese ocurrido si se pusiera en un vaso el jugo de dos naranjas y en otro, el jugo de una sola? 3. ¿Para qué se usa el vaso con agua sola? ¿Qué hubieran hecho si en los cinco vasos debían agregar 6 gotas de lugol? ¿Habrían confiado en la calidad de los reactivos? 4. Investiguen las causas de la caída en la concentración de vitamina C en el tiempo. ¿Qué otros factores descomponen la vitamina C? ¿Es lo mismo consumir alimentos cocidos que crudos?

E12-19239-.indd 23

14/11/12 16:01

24

[ ] icono

Propuesta de actividades

eSTUdIO DE CASo

[ ]

Luego de 15 días de haber mandado las muestras al laboratorio, llegaron los resultados a la oficina de Ramírez en un sobre cerrado.

6. Observen las siguientes imágenes. A

B

C

D

El informe detallaba algunas características de la sustancia encontrada en la escena del crimen. go del Dr. Selenio Argón Laboratorio a carstra Resultados de la mue nº 80054

17 de marzo de 2012 Solicitado por:

Jorge Ramírez

o de color blanco opaco Aspecto de la sustancia: polv Punto de fusión: 50 ºC3 Densidad: 2,173 g/cm ón de gas. o: resultado positivo, liberaci Ante la reacción con ácid

1 . De acuerdo con lo que vieron en el capítulo, ¿de qué sustancia consideran que se trata? ¿Por qué? Investiguen en Internet para confirmarlo. ¿Qué datos buscarían? 2 . Averigüen si esta sustancia es soluble en agua. 3 . Gracias a las huellas digitales dieron con el asesino, un amigo de la víctima que sufre de problemas de acidez estomacal. ¿Cómo explican la presencia de la sustancia en la escena del crimen? 4 . Expliquen las siguientes afirmaciones, tanto si las consideran correctas como si no. a. Quemar papel es un cambio químico. b. Agregarle azúcar al café con leche es un cambio químico. c. Freír un huevo es un cambio físico. d. Manchar con lavandina una tela es un cambio químico. 5. Completen el siguiente cuadro. Estado

Fuerza de atracción entre las partículas muy débil

Velocidad de las partículas

a. Indiquen qué tipos de cambios ocurren en cada caso. b. Clasifíquenlos en físicos y en químicos y expliquen por qué lo hacen.

7 . Lean el siguiente texto y resuelvan las consignas que están a continuación. En la industria, para obtener hierro se puede utilizar chatarra como materia prima, la cual se pone dentro de un horno. Estos hornos se conocen como altos hornos, debido a su tamaño y altura. Allí la chatarra se mezcla con otro material, el coque, que es un producto del carbón mineral. La mezcla se calienta a temperaturas elevadas cercanas al punto de fusión del hierro. En esas condiciones, la chatarra se transforma en hierro líquido y se desprenden gases. En la industria, se utilizan miles de kilos de chatarra y se obtienen grandes volúmenes de hierro. Una vez obtenido, el hierro se coloca dentro de moldes y se deja enfriar hasta solidificarse. a. Indiquen qué propiedades de la materia se mencionan en el texto. b. Clasifíquenlas en generales y específicas. Expliquen por qué. Indiquen los cambios que ocurren en el proceso. Clasifiquen estos cambios en físicos o en químicos y expliquen por qué lo hacen.

E12-19239-.indd 24

14/11/12 16:01

25

8 . Indiquen qué cambio representa cada número en el siguiente diagrama. LÍQUIDO 3

1 2

4 6

SÓLIDO

GASEOSO

5

a. ¿En qué casos se toma calor del ambiente? ¿Qué ocurre con las partículas en esos casos? b. ¿En qué casos se libera calor al ambiente? ¿Qué ocurre con las cambios a nivel de las partículas en esos casos?

9 . A partir de las siguientes descripciones, ordenen los materiales del menos denso al más denso. Justifiquen su orden. Material 1: en 100.000 cm3 entran 15 kg de este material. Material 2: 3 g de este material ocupan 0,5 cm3. Material 3: este material flota en el material 2, pero queda por debajo del material 1, que flota sobre él. Material 4: flota sobre el material 1.

1 0 . Indiquen cuáles de estas afirmaciones son correctas y cuáles no lo son. En cada caso justifiquen su elección. Cambien las afirmaciones que consideraron incorrectas de manera que resulten correctas. a. Aristóteles creía que la materia estaba formada por partes indivisibles y que era discontinua. b. Con su experimento, Proust demostró que la materia está formada por una mezcla continua de aire, tierra, fuego y agua. c. De acuerdo con el modelo de Bohr, los átomos están compuestos por un núcleo con cargas positivas y partículas de carga negativa que orbitan a su alrededor. d. Los átomos son sólidos, sin huecos en su interior, como lo postuló Dalton. e. Demócrito adhería a las ideas de Empédocles acerca de la constitución de la materia. f. El aire es un elemento fundamental porque no está compuesto por otros elementos. g. Los átomos pueden agruparse y formar moléculas. 1 1 . Luego de haber leído este capítulo, ¿qué aprendieron acerca de las propiedades de la materia? 1 2 . ¿Cambió alguna de las ideas que tenían con respecto a los temas del capítulo? 13. ¿Qué tema les interesó más? ¿Por qué? 1 4 . ¿Qué tema no entendieron? ¿Sobre cuál les gustaría seguir leyendo?

[red conceptual] MATERIA

tiene

Sólida Se la encuentra

Está formada por

Propiedades

Le ocurren Que pueden formar

Específicas

Estos estados se pueden explicar con

Moléculas Se pueden representar con

Masa

Físicos Densidad Se pueden explicar con

E12-19239-.indd 25

Modelo

14/11/12 16:01

Realizó y publicó sus Encuentro con su libro Hechos , Jorge III se consagraba A la edad de 12 años Publicó relacio- el Viajero del arios relacionados experimentos tiempo ismo rey de Gran Bretaña e Dalton fue director extraordin atom el con s nado es color con la visión de los en una escuela Irlanda 1802-1803 1836 1794 1773 1760

Por Diego Golombek

El viajero del tiempo

26

1770

1760

1800

1830

La verdad es que estaba un poco nervioso. Iba a encontrarme con uno de los científicos más influyentes para la química y la física: ni más ni menos que el que había puesto en claro finalmente que la materia está compuesta por átomos. Esperaba a un caballero con todas las pompas, con ricos vestidos y el inglés de la Reina o de los Rolling Stones. Cuando me anuncié en el hotel, me señalaron a un personaje bastante desaliñado, mal vestido y al que no se le entendía casi nada cuando hablabla.Tal vez me hubiera equivocado de época, o me hubieran indicado mal, así que lo mejor era avanzar con cuidado.

John Dalton: entre átomos y ojos

— Esteeee… ¿mister Dalton? —Yes? ¿Es usted del círculo de amigos? —¿Amigos? No, yo soy un biólogo argentino… un admirador, digamos. Pero no sé a qué se refiere —balbuceé, aun más confundido que antes. —Ah, qué pena —respondió—. Pensé que era uno de los nuestros. Yo seguía sin entender nada. —¿Los nuestros? —pregunté—. ¿Quiere decir los químicos? —Oh, no, my friend. La sociedad religiosa de amigos: ¡los cuáqueros! Me vino inmediatamente a la cabeza la imagen del gordito sonriente en la caja de cereales que comía cuando era chico, y no pude reprimir una sonrisa. Mientras tanto, Dalton... —Siempre es bueno recibir a un amigo —continuó—. Si no fuera por ellos, yo nunca hubiera llegado a nada. Vengo de una familia bastante pobre, ¿sabe? No como todos esos petulantes que andan por ahí pavonéandose frente al Rey… Ja, ¡si supiera cómo lo traté yo al mismísimo Rey de Inglaterra! —¿Al Rey? —Sí, una vez me preguntó cómo andaba todo por Manchester. “Qué se yo, don Rey”, le dije, “como siempre”. ¡Las caras que pusieron todos! ¿Pero qué se le puede decir a gente como esa? Y yo, que fui director de una escuela a los doce años. No me vengan con reyes a mí… Sí, definitivamente era Dalton, el genio que se había negado a usar atavío militar para ver al Rey, como exigía el protocolo, el mismo que había hecho apor-

E12-19239-.indd 26

1790

Tabla de elementos de Dalton.

tes a la meteorología, a la gramática y, sobre todo, a la teoría atómica. Preferí ir sobre seguro. —¿Sabe qué? Siempre quise saber de dónde había salido el nombre de “átomos”. —Ah, pero yo no le puse el nombre —confesó Dalton—. Es de Demócrito, unos tres siglos antes de Cristo, que seguramente se lo tomó prestado

14/11/12 16:01

O R E J A I O V P L M E E O I R T E L J E A D I O V P L E TIEM DEL 27

a Leucipo. Es fácil: a quiere decir “sin”, y tomos quiere decir “partes”, como los tomos de un libro. Usted sabrá, joven, que yo siempre digo que los átomos son la parte mínima, indivisible de la materia, entonces, los átomos no tienen partes. Ingenioso, ¿verdad? —Momentito… si usted no le puso nombre, y tampoco imaginó la idea, ¿por qué se hizo tan famoso? —Bueno, famoso… no es para tanto. Pero sí, lo que yo hice fueron algunos experimentos para demostrar las ideas atomistas. La idea es simple: me la pasé pesando elementos. Se me ocurrió ponerle 1 al peso de cada átomo de hidrógeno, y después anduve buscando los pesos relativos de los átomos de otros elementos.Vea, como calculé que el nitrógeno pesa unas cuatro veces más que el hidrógeno, le puse el número 4, y entonces hice una tablita que… —¿Una tabla de los elementos? —me entusiasmé. —¿Qué, la conoce? —se interesó—. Sí, seguramente alguien la complete y la ordene mejor dentro de unos años, pero, modestamente, creo que está bastante bien. ¡Bastante bien, decía!… Dalton había comenzado una revolución que daría como resultado entender cómo está constituida la materia, con sus elementos, sus átomos, sus pesos, sus hipótesis y predicciones… Y Dalton me decía que estaba “bastante bien”. —Claro, también supuse que los compuestos siempre tienen una proporción fija de átomos de distintos tipos, que si no, no podía interpretar los experimentos… Qué curioso, este inglés del siglo XIX me hablaba como un científico moderno: con hipótesis, predicciones, controles, métodos. Claramente para hacer ciencia y entender el mundo no se necesita nada demasiado complejo… En este caso, bastaron una balanza, un laboratorio simple y muchas ideas bien puestas. Pero Dalton me siguió sorprendiendo hasta el final. —Disculpe, joven, ¿me podría decir de qué color es su chaqueta? —¿Mi chaqueta? —Sí, nada importante, es solo para comprobar unas ideas que tengo… —Bueno, tengo un saco azul que… —¿Azul? ¿No le digo? Tengo razón: no puedo ver ese maldito color. —Claro, si usted es daltónico.

E12-19239-.indd 27

Dalton no distinguía bien los colores. Actualmente a esta condición se la llama daltonismo en homenaje al químico.

—¿Cómo dice? ¿Se está burlando? Había incurrido en un anacronismo y me corregí. —Nada, que me habían dicho que hay colores que usted confunde, o que no ve bien. —Ah, sí. Me pasa eso: hay colores que me resultan iguales, y para el resto del mundo son completamente diferentes… También hay colores que veo distintos a la luz del sol que con las velas… Para mí que hay algo en mis ojos. Usted me parece confiable, ¿le puedo pedir un favor… especial? —Eeeehhh… Bueno, será un honor. —Mire, me queda poco tiempo de vida, y yo quiero que se sepa qué es lo que me pasa. Quiero que cuando me muera me saquen los ojos y miren a través de ellos. Si mi teoría es cierta, entonces van a ver los colores raros, como filtrados, porque estoy seguro de que mis ojos no son transparentes. Es la única forma de saberlo. ¿Lo va a hacer, verdad? No tuve más remedio que decirle que sí, mientras me disponía a volver a casa y a mi tiempo.Y me quedé pensando en lo más importante: el verdadero científico quiere que se sepa algo… aunque ya esté muerto. ¡Qué capo este Dalton! 1. ¿Qué diferencia existe ente el pensamiento de Dalton y el de Demócrito? 2. ¿Qué quiere decir el Viajero cuando dice que Dalton hablaba como un científico moderno?

3. ¿Por qué creen que Dalton se vestía tan mal?

14/11/12 16:01