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Introducción a la Química Curso de Ingreso y nivelación

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LOS RECURSOS NO RENOVABLES

Minerales Metalurgia Aleaciones de hierro: aceros

Recursos menguantes de la Tierra COMBUSTIBLES Y COMBUSTIONES CONTAMINACIÓN AMBIENTAL LAS FAMILIAS DE LOS COMPUESTOS QUÍMICOS LOS ÓXIDOS ÁCIDOS Y BASES Lluvia ácida

Los ácidos Ácidos Fundamentales

Las bases ¿Para qué sirven los hidróxidos?

Indicadores de acidez ¿Cuán ácidos o básicos son? Concepto de pH SALES Nociones Fundamentales ACTIVIDADES FINALES

Unidad Nº 4 Los compuestos Químicos (I)

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LOS RECURSOS NO RENOVABLES Los recursos son los materiales que podemos extraer del medio natural para satisfacer nuestras necesidades. Cuando no pueden reponerse decimos que son no renovables. Una de las fuentes de materiales más importantes con que contamos, es la parte inorgánica de la corteza sólida de nuestro planeta: la litósfera que contiene principalmente rocas y metales.

Minerales Las rocas están formadas por uno o más minerales. Llamamos mineral a un sólido natural, inorgánico, que se encuentra en estado cristalino y posee una composición química determinada. Así, por ejemplo, el cuarzo es el dióxido de silicio, en él hay dos tipos de átomos: silicio y oxígeno. El estado cristalino es la disposición ordenada y regular de los átomos y moléculas de una sustancia mineral en las tres direcciones del espacio. Este ordenamiento interno se refleja en un sistema cristalino Ejemplos: berilio, diamante. Los sólidos naturales, inorgánicos, que no presentan ordenamiento interno tridimensional se denominan mineraloides Ejemplos: ópalo, vidrio.

En los minerales los átomos están ordenados

Los átomos de los mineraloides no están ordenados

Existen cientos de minerales distintos. Más de dos mil. Algunos muy abundantes y otros muy raros. Para poder reconocerlos es necesario conocer sus propiedades físicas, propiedades que permiten distinguirlos y diferenciarlos unos de otros. Unidad Nº 4 Los compuestos Químicos (I)

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Metalurgia El progreso de la humanidad a lo largo del tiempo se suele describir en términos de los materiales que se usaban para fabricar herramientas. Hablamos de la Edad de Piedra, de la Edad de Bronce y de la Edad de Hierro. Los pueblos de la antigüedad conocían el oro y la plata porque es frecuente encontrarlos en estado libre en la naturaleza, pero estos metales son demasiado suaves para ser utilizados como herramientas. La elaboración de las mismas no fue posible hasta que los artesanos aprendieron a obtener ciertos metales por fundición de los minerales que los contienen.

la metalurgia consiste en

Los avances tecnológicos han influido sobre el mundo moderno aumentando la necesidad de este recurso, ya que los metales entran en la composición de miles de aparatos e instrumentos que empleamos normalmente y la electricidad llega a nuestros hogares a través de ellos. La industria que se encarga de extraer metales a partir de sus minerales es la metalurgia. Y la metalurgia del hierro recibe el nombre de siderurgia

La concentración, que se basa en separar el mineral rico en el metal, que se conoce como mena, del resto de minerales y rocas que lo acompañan en la mina como impurezas, conocido como ganga,

El refinado, que es el conjunto de procesos por el que la mena, ya separada de la ganga, es tratada para obtener el metal puro o casi puro.

Aleaciones de hierro: aceros Muchas veces, el metal que se obtiene no resulta un material útil desde el punto de vista industrial: el hierro, por ejemplo, tiene pocas aplicaciones industriales como material puro. Sin embargo, la aleación de hierro con pequeñas cantidades de carbono (menor que el 2 % m/m) origina acero, que sí presenta múltiples usos ya que de esta forma aumenta su resistencia mecánica. Los aceros de bajo carbono tienen aptitud para deformarse, cortar, soldar y maquinar; los de medio carbono poseen mayor resistencia, y ductilidad y los de alto carbono una muy alta resistencia pero son frágiles y difíciles de soldar.

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Llamamos temple al tratamiento que se le hace al acero para lograr un mayor endurecimiento. Consiste en calentarlo al rojo vivo (aproximadamente 800º C) y después enfriarlo súbitamente por inmersión en un líquido.

Recursos menguantes de la Tierra Enfrentamos la escasez creciente de metales y minerales. Por ejemplo, los depósitos de cobre en América durante la conquista europea eran casi puros, ahora las menas de extracción contienen menos del 0,5% de cobre. Quedan pocos depósitos de alta calidad de cualquier metal de fácil acceso; esto trae como problema adicional que el gasto de energía que se debe realizar para concentrar el metal es mucho mayor. ¿Podemos evitar esta situación? ¿Cómo conservar nuestros recursos? Las “cuatro erres” de la conservación y administración de recursos son recapacitar, reemplazar, reutilizar y reciclar. Como estrategia global, deberíamos recapacitar continuamente acerca de nuestros hábitos personales y sociales, y las prácticas que implican el uso de recursos. Reemplazar significa encontrar materiales sustitutos con propiedades similares, de preferencia, derivados de recursos renovables. Algunos objetos manufacturados pueden restaurarse o repararse para reutilizarlos. Reciclar significa recoger y reunir ciertos objetos para reprocesarlos haciendo posible que los recursos que contienen puedan usarse nuevamente.

Actividad 1: Hacé una lista de cinco cosas que hayas usado o consumido desde ayer. Para cada una de ellas respondé: a- ¿Qué recursos se emplearon en su manufactura? b- ¿De qué manera te deshiciste (o te desharás) de los materiales indeseables que implica su uso? c- ¿Cuál sería el modo en que contribuyas a la conservación del medio ambiente? d- Clasificá cada recurso como renovable o no renovable.

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COMBUSTIBLES Y COMBUSTIONES Los combustibles son sustancias que pueden quemarse fácilmente y liberan energía. La mayor parte de los combustibles contiene carbono e hidrógeno que, al reaccionar con el oxígeno del aire, forman dióxido de carbono y agua. A esta reacción se la conoce como combustión y puede representarse:

En forma esquemática:

Combustible + Oxígeno Reactivos

dióxido de carbono + agua + energía (calor y luz) Productos

Parte de la energía almacenada en los reactivos es liberada en forma de calor y se puede usar para calefaccionar nuestras casas, iluminar espacios oscuros, cocinar, andar en automóviles, etc. El material se inflama, hace brasa y llama (a la temperatura de ignición) y empieza a desprender sustancias gaseosas y en algunos casos deja un residuo de cenizas. Además aumenta la temperatura del medio en el que se esta produciendo la reacción. En las combustiones cotidianas se utilizan combustibles fósiles o combustibles minerales que son mezclas de compuestos orgánicos que se extraen del subsuelo, se clasifican de acuerdo a su estado de agregación en sólidas, líquidas y gaseosas.

Combustibles

Sólidos Antracita Lignito Turba Leña Coque

Líquidos Petróleo Nafta Kerosene Gas oil Alcohol

Gaseosos Gas natural Acetileno Gas licuado

Pero, también se encuentran los combustibles nucleares y los renovables que se están tendiendo a usar en mayor escala en los últimos años.

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Actividad 2: Clasificá los combustibles de la tabla anterior según su grado de elaboración en: a- naturales sin elaboración, b- naturales elaborados.

Cuando la combustión se realiza en un ambiente con abundante oxígeno se dice que es completa, si, en cambio, la cantidad de oxígeno es escasa se forma monóxido de carbono y carbono y se llama incompleta. Es importante destacar que el monóxido de carbono es un gas tóxico ya que inhibe el proceso de oxigenación sanguínea, pudiendo producir muerte por asfixia. Es responsable de numerosos accidentes que ocurren cuando se instala un brasero o un calefón en una habitación no ventilada suficientemente.

Combustión Completa

Dióxido de carbono

Combustión Incompleta

Monóxido de carbono TÓXICO

Actividad 3: a- Indicá los diferentes tipos de combustiones que se realizan en tu casa en un día determinado para cocinar, calefaccionarse, higienizarse, etc. Identificá los objetos tecnológicos involucrados y, para cada uno, explicá dónde van a parar los gases originados por dicha combustión. b- Averiguá acerca CONTAMINACIÓN de la combustión del hidrógeno. ¿Cuál es AMBIENTAL el producto de esta transformación?

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El uso masivo de las combustiones como forma de producción de energía fue aumentando gradualmente la cantidad de sustancias vertidas al agua, a la tierra, y por supuesto, a la atmósfera. Los niveles de monóxido y dióxido de carbono crecieron hasta transformarse en contaminantes. Un contaminante es una sustancia habitualmente presente en un sistema, o ajena a su composición, que se encuentra en concentraciones anormalmente altas que determinan que los procesos naturales de depuración no la pueden controlar. También influye el uso de ciertas sustancias en la fabricación de aerosoles, los plaguicidas, los fertilizantes, etc. Durante los últimos 200 años, el hombre ha accionado sobre el ambiente sin reflexionar sobre las consecuencias, por no conocer en profundidad la naturaleza de los cambios que provocaba y por ignorar la influencia de estos sobre los equilibrios naturales. Sólo en los últimos treinta años la humanidad ha empezado a tomar conciencia del impacto ambiental que esta situación ha ido produciendo, son ejemplos: El estado de ríos, mares y océanos por la contaminación en las aguas. La disminución en la concentración del ozono atmosférico. El incremento del efecto invernadero. Cambio Climático. La deforestación consecuencia de la tala y de la lluvia ácida. La formación del smog atmosférico que agobia muchas ciudades. El deterioro de los suelos por exceso de fertilizantes y plaguicidas. La dificultad de eliminación de residuos domiciliarios. El agotamiento de recursos naturales. La utilización de energías contaminantes. Todos estos efectos están vinculados, y hacen a la complejidad del problema. Cuanto más se aprende y comprende sobre estos temas mejores decisiones se pueden tomar en la faz personal y social teniendo en cuenta las distintas alternativas posibles.

LAS FAMILIAS DE LOS COMPUESTOS QUÍMICOS En biología se recurre al concepto de familia para establecer un grupo de parentesco, es decir, géneros y especies relacionadas de organismos con características estructurales comunes. Por ejemplo un botánico incluirá al rosal, al ciruelo, al almendro, etc., en la familia de las rosáceas. En química ocurre algo parecido, los miles de compuestos químicos conocidos pueden agruparse según sus rasgos estructurales, composición y propiedades comunes. En cada familia -función química- habrá compuestos “destacados” ya sea por ser útiles a los seres vivos y al ambiente o por ser nocivos o perjudiciales. Unidad Nº 4 Los compuestos Químicos (I)

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LOS ÓXIDOS Si se analiza la tierra en su totalidad (atmósfera, hidrósfera, litósfera y biósfera) se encuentra que el elemento más abundante es el oxígeno, que tiene la propiedad de combinarse con la mayoría de los otros elementos formando innumerables sustancias compuestas inorgánicas y orgánicas. Dentro de las inorgánicas, las que poseen solamente oxígeno y otro elemento químico se denominan óxidos (compuestos binarios). Los óxidos pueden ser compuestos iónicos o covalentes dependiendo de la posición que ocupa en la tabla periódica el elemento con el que se combina el oxígeno.

ÓXIDOS

óxidos ácidos se forman a partir de no metales

óxidos básicos se forman a partir de metales

Son óxidos las siguientes sustancias compuestas: H2O CO2 CO SiO2 Na2O MgO Fe2O3

agua dióxido de carbono monóxido de carbono dióxido de silicio óxido de sodio óxido de magnesio óxido férrico u óxido de Hierro (lll)

Actividad 4: Según el criterio previamente tratado clasificar en ácidos o básicos los óxidos anteriores

Como vimos algunos óxidos se encuentran presentes en la naturaleza, como ciertos minerales, agua, etc. Otros, como el óxido de calcio o el dióxido de carbono deben ser producidos, por ejemplo a través de reacciones químicas como la descomposición y la combinación.

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ÁCIDOS Y BASES Lluvia ácida En las combustiones explicadas más arriba de gas natural, carbón y petróleo se liberan también, gases tóxicos con dióxido de azufre (SO2), monóxido de nitrógeno (NO), y dióxido de nitrógeno (NO2). Al reaccionar con el oxígeno y el agua de la atmósfera, se convierten en ácidos como el sulfúrico y el nítrico. La presencia de estos ácidos en la atmósfera produce la acidificación de la lluvia o lluvia ácida que, por efecto de los vientos, suele afectar zonas alejadas de las fuentes de contaminación. Los efectos que se producen son acidificación de suelos y aguas, alterando la vegetación y la vida en lagos y lagunas. En las ciudades se originan daños sobre edificios y monumentos de metal, cemento y mármol. Existen sustancias compuestas (binarias y ternarias) que al disolverse en agua presentan propiedades muy especiales y producen efectos contrapuestos. Éstas son los ácidos y las bases o álcalis Mucha gente piensa que, son sustancias peligrosas Y, efectivamente algunos, como vimos recién con la lluvia ácida, o el ácido sulfúrico de las baterías de los coches, son corrosivos: atacan los metales y pueden lastimar nuestra piel, la soda cáustica se utiliza como destapacañerías, es muy corrosiva y puede causar quemaduras serias a los ojos y la piel. Sin embargo, no todos los ácidos y bases son peligrosos. El ácido carbónico, en las bebidas gaseosas, el ácido cítrico, en el jugo de limón, el acético en el vinagre son comestibles. El hidróxido de aluminio y el de magnesio se usan como antiácidos para aliviar las molestias estomacales.

Los ácidos Son sustancias que se encuentran en:  el limón,  el vinagre,  el jugo gástrico,  la “picadura” que producen las hormigas,  la batería de los automóviles. Algunas propiedades de los ácidos son: Poseen cierto sabor agrio o ácido característico. Carcomen metales como el hierro. Corroen el mármol. Son buenos conductores de la electricidad en solución acuosa. Pueden producir heridas en la piel. Generan cambios de color específicos con ciertas sustancias llamadas indicadores. Unidad Nº 4 Los compuestos Químicos (I)

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Ejemplos de ácidos son: Ácido clorhídrico Ácido Nítrico Ácido Sulfúrico Ácido Fórmico

HCl HNO3 H2SO4 HCOOH

Podemos observar en las fórmulas que los ácidos contiene H unido a un no metal o a un grupo no metálico. El carácter ácido está vinculado con la presencia de ese H en la molécula.

ÁCIDOS

OXOÁCIDOS se obtienen por la combinación de un óxido ácido con el agua

HIDRÁCIDOS se obtienen por la combinación de un no metal con hidrógeno

Actividad 5: Clasificá los ácidos formulados anteriormente en hidrácidos y oxoácidos

Ácidos Fundamentales Los ácidos más importantes para la industria química son el sulfúrico, el nítrico y el clorhídrico. El ácido sulfúrico tiene múltiples usos. Se emplea, por ejemplo, en la fabricación de fertilizantes, polímeros, productos farmacéuticos, pinturas, tintas de lana y seda, explosivos, colorantes sintéticos, seda artificial, detergentes, papel, en la refinación del petróleo, plásticos metacrílicos y en la metalurgia. El ácido nítrico se utiliza para la industria de los explosivos, entre ellos la nitroglicerina y el trinitrotolueno (TNT), celuloide, reactivo en fotografía. Se usa también en la producción de fertilizantes químicos, como el nitrato de amonio. Puesto que es un ácido excesivamente fuerte, es además utilizado de manera extensa en la industria de limpieza y grabado del metal, galvanizado, refinamiento, fotograbado y en la fabricación de joyas. Se emplea asimismo como agente oxidante en algunos cohetes de combustible líquido. El ácido clorhídrico se emplea sobre todo en la industria del petróleo, en la producción de metales y en la industria textil. En la ferretería se expende con la denominación acido muriático para la limpieza de sanitarios y cañerías. También se encuentra en nuestro estomago formando parte del jugo gástrico. Unidad Nº 4 Los compuestos Químicos (I)

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Las bases Existen otras sustancias que al formar soluciones acuosas anulan el efecto de las ácidas, se llaman bases o álcalis. Se encuentran en:  jabón para manos,  productos para limpiar el horno,  ciertos líquidos limpiadores,  algunos antiácidos. Algunas propiedades de las bases son:  Poseen cierto sabor amargo característico.  Resultan resbalosas al tacto.  Descomponen las grasas.  Son buenas conductoras de la electricidad en solución acuosa.  Generan cambios de color específicos en los indicadores. Algunos ejemplos son: Hidróxido de sodio Hidróxido de calcio Hidróxido de aluminio

Na(OH) Ca(OH)2 Al(OH)3

Las bases son sustancias que poseen grupos hidróxidos (OH) unidos a un metal. Se obtienen en general por reacción entre los óxidos básicos y el agua. Las bases inorgánicas reciben también el nombre de hidróxidos.

¿Para qué sirven los hidróxidos? La leche de magnesia es una solución acuosa de hidróxido de magnesio, Mg(OH)2, utilizada desde la antigüedad como un medicamento laxante suave para la constipación ocasional y como antiséptico. El hidróxido de sodio es uno de los reactivos de laboratorio más comúnmente usado. También se emplea en la síntesis de colorantes como anilina, en la fabricación de jabones y en la industria farmacéutica. Otra base de gran importancia es el hidróxido de calcio Ca(OH)2 llamada comúnmente cal apagada. Es un polvo blanco, cáustico y poco soluble en agua, con la cual forma la lechada de cal. Es muy utilizada en la industria del azúcar, carbono y bujías. También se emplea por su poder desinfectante en los establos y granjas, para erradicar la presencia de parásitos en los árboles frutales y para blanquear muros y paredes. El hidróxido de potasio K(OH) se usa como reactivo de laboratorio, en la fabricación de jabones, en la preparación de permanganato de potasio y en la industria farmacéutica.

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Indicadores de acidez La manera más fácil de probar si una sustancia es ácida o básica es utilizando un indicador. Un indicador es una sustancia que adquiere un color diferente según esté en presencia de un ácido o de una base. Por ejemplo, el papel tornasol es normalmente amarillento, pero si se lo pone en contacto con un ácido, el color cambia a rojo. En presencia de una base, cambia a azul.

Actividad 6: ¿Qué color tendrá el papel tornasol con: jugo de mandarina, limpiadores con amoníaco, medicamentos antiácidos y bebidas gaseosas

¿Cuán ácidos o básicos son? Concepto de pH Existen distintos grados de acidez o basicidad: entre las sustancias ácidas, unas lo son más que otras, e igual sucede con las básicas. Algunos indicadores pueden presentar más de un color, según los diferentes grados de basicidad o acidez. Ésta es una manera cualitativa de medir esta propiedad. Pero también se la puede medir en números, utilizando una medida que se llama pH. El pH es una medida de la acidez, y toma valores desde 0 a 14, según se indica en la siguiente figura:

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El pH de un líquido tiene que estar entre cuatro y nueve para que no produzca efectos perjudiciales sobre nuestra piel. Lo ideal para el cuidado de la piel es que el pH del agua con que nos lavamos sea entre 7 y 8; en cambio, el cabello queda mejor acondicionado cuando lo enjuagamos con una solución de pH entre 4 y 5. Por eso, nuestras abuelas acostumbraban enjuagarse el cabello con una mezcla de agua y vinagre, que tiene aproximadamente ese pH. El pH de un suelo depende de los minerales que contenga, y que se disuelvan en el agua de riego o de lluvia. Algunos suelos son ácidos (pH entre 5 y 6) y en ellos crecen bien las azaleas, los robles, las frutillas y las batatas. Otros suelos son prácticamente neutros (pH=7) y, en ellos prosperan los manzanos, los pensamientos, los zapallos y el arroz. Finalmente, hay plantas, como los espárragos, los repollos, los claveles, las cebollas, y el apio, que prefieren los suelos básicos (pH=8)

SALES Nociones Fundamentales: Cuando un ácido reacciona con una base, ocurre una reacción de neutralización. Por ejemplo: el hidróxido de aluminio Al(OH)3 se usa como antiácido, en el tratamiento de la gastritis y úlceras producidas por exceso de secreción de jugo gástrico. Su acción radica en la “neutralización” del ácido clorhídrico HCl presente en el jugo gástrico, evitando la exposición de las zonas irritadas a una solución excesivamente ácida. El producto de esta reacción es agua y una sal. Las sales son sustancias que se encuentran, por ejemplo, en:  el agua potable, mineral o mineralizada,  productos leudantes para repostería,  la sal común o en las sales para dietas,  los mármoles o calizas, cerámicas, granitos y otros materiales de construcción. Algunas propiedades de las sales: Poseen sabor característico, salado o ligeramente amargo. Son sólidas y cristalinas. Presentan colores variados. Son buenas conductoras de la electricidad en solución acuosa o fundidas. Sal es una sustancia formada por un metal unido a un no metal o a un grupo no metálico (formado por oxigeno y un no metal). Algunos ejemplos son: Cloruro de sodio Nitrato de sodio

NaCl NaNO3

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Carbonato de calcio Fluoruro de potasio Sulfato cúprico

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CaCO3 KF CuSO4

Actividad7: De las sales enumeradas anteriormente, indicar en cuáles el metal está unido a un no metal y en cuáles está unido a un grupo no metálico

ACTIVIDADES FINALES 1- ¿En qué se diferencia la estructura del vidrio de la estructura de los silicatos cristalinos? 2- a-¿Cuáles son los principales usos del cobre? b-¿Qué es el acero? c-¿Por qué es importante el reciclado de metales? 3- Completar el cuadro con información sobre los combustibles fósiles más importantes. Combustible Aspecto Gas natural Gas (metano) incoloro Petróleo crudo Carbón

Composición

Cómo se formó

Mezcla de hidrocarburos Descomposición de restos de plantas

4- a- ¿Por qué es conveniente apantallar mientras se enciende el fuego en una parrilla? b- ¿Qué materiales cotidianos no son recomendables para tirar al fuego? 5- Mencionar tres fuentes de energía alternativa. Explicar cómo funcionan y cuáles son las ventajas de su utilización en lugar de los combustibles fósiles ¿Cómo utilizarían algunas de estas fuentes de energía en un campamento? 6- Relacioná las sustancias de la primera columna, con las afirmaciones de las segundas:    

a b c d

CO2 H2O2 NaF CaO

__ __ __ __

Presente en el jugo gástrico Presente en las cremas dentales Usado para gasificar el agua Empleado como desinfectante



e

HCl

__

Usado como material de construcción

.

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7- Para los siguientes compuestos químicos, indica: a) ¿Cuántos y cuáles elementos contiene? b) ¿Cuántos átomos de cada tipo se indican en su fórmula? -El dióxido de cloro ( C l 2 O ) se usa para blanquear harina. - El trisulfuro de tetrafósforo ( S3P4) se emplea en los fósforos que se encienden frotándolos en cualquier superficie. -La fosfina gaseosa ( P H 3 ) se utiliza como fumigante para proteger los granos almacenados y otros productos duraderos contra las plagas. 8a) La lluvia ácida se produce al disolverse un gran número de gases en el agua de lluvia, ¿cuál de los siguientes gases la componen? dióxido de carbono

nitrógeno

monóxido de carbono

dióxido de azufre

b) De los gases mencionados: A- ¿Cuál de ellos se produce en la combustión incompleta de compuestos orgánicos? B- ¿Cuál es uno de los mayores contribuyentes al efecto invernadero? C- ¿Cuál es un componente del aire puro? 9- ¿Cuántos átomos de hidrógeno y de oxígeno hay en las siguientes fórmulas?: a) H2SO4 b) Ca(OH)2 c) Na 2SO4 10- Describí el efecto sobre el tornasol de una solución que ha sido neutralizada. 11- Para cada uno de los valores de pH siguientes valores indicá si representa una solución ácida, básica o neutra. a- 4, b- 7, c- 3,5, d- 9 12- Indicá qué tipo de reacción química ocurre en cada uno de estos procedimientos: a) Mezcla de bicarbonato de sodio (base) con vinagre (ácido). b) Agregado de cal (base) antes de plantar ciertas especies. c) Quemado de carbón para preparar un asado.

Bibliografía: Rosana Aristegui y otros (1997). Ciencias Naturales 8. Buenos Aires: Santillana Laura Vidarte (1997). Química Para descubrir un mundo diferente. Buenos Aires: Plus Ultra. Silvia Cerdeira y otros (2006). Ciencias Naturales y Tecnología 8 y 9. C.A.B.A.: AIQUE Mónica P. Alegría y otros (2007). Química. C.A.B.A: Santillana Perspectivas.

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