Tabloide de Química para el nivel de secundaria obrero campesina del curso de

superación integral para jóvenes. Fecha de realización: enero 29, 2006

Autores: M. Sc. Roberto Rodríguez Travieso. Lic. Alina Álvarez Álvarez.

Lic. Mayelín Enriques Placencia. Lic. Salvador Suárez Díaz. Lic. Odalys Orta Rodríguez.

Unidad I: Las sustancias y las reacciones químicas .

Introducción.

Este tabloide va dirigido a los estudiantes del Curso de Superación Integral que cursan la Secundaria Obrero-Campesina en la asignatura de Química. En el mismo se presentan los contenidos de tres unidades que conforman toda una serie de conocimientos, los que te servirán de base para adentrarte en esta nueva rama de la ciencia. En la primera unidad, se estudian los contenidos relacionados con las sustancias y las reacciones químicas. Se profundiza en la segunda unidad con la introducción del estudio del dioxígeno, sustancia indispensable para la vida en el planeta y en la tercera aparecen los óxidos lo que permite darle integralidad a los contenidos objetos de estudio. Cada unidad está estructurada con una introducción, el desarrollo de los contenidos por epígrafes, ejercicios resueltos y ejercicios propuestos que te servirán de base para el desarrollo de habilidades y capacidades.

Índice.

Capítulo 1: Las sustancias y las reacciones química s. 1.1- El objeto de estudio de la Química. Las sustancias y sus propiedades. 1.2- Las mezclas de sustancias. Las disoluciones. 1.3- La reacción química. 1.1.- El objeto de estudio de la Química. Las susta ncias y sus propiedades . Desde épocas muy remotas el hombre viene haciendo uso de las sustancias, al inicio de manera muy rudimentaria, tal y como se presentaban en la naturaleza. A medida que avanzaban sus conocimientos sobre las propiedades de las sustancias y sus transformaciones les sirvieron para transformar sus medios de trabajo y mejorar sus condiciones de vida. Con el conocimiento del fuego y la forma de producirlo, el hombre primitivo extrajo por primera vez los metales a partir de sus minerales. El uso de la piedra primeramente y los metales más adelante fueron definiendo épocas en el desarrollo de la humanidad.

La Química es la ciencia que estudia las sustancias, sus propiedades y sus transformaciones. Tuvo su origen en Egipto, el país técnicamente más avanzado en el mundo antiguo. Alcanzó un considerable desarrollo la cerámica, la fabricación del vidrio, la perfumería y la cosmética, antes del advenimiento de nuestra era. En sus inicios se consideraba la Química como una ciencia divina en manos de los sacerdotes que ocultaban para si los conocimientos adquiridos. Algunos conocimientos pasaron a Europa. Los árabes modificaron la denominación de Química por la de Alquimia. En esta época en Europa los artículos de lujo eran pagados únicamente por su equivalente en oro. Esta fue la razón por la que los trabajos de investigación de los alquimistas tuvieron como meta hallar “la piedra filosofal”, dotada, según todos creían, del poder de transmutar en oro cualquier metal. En el proceso de búsqueda y trabajos experimentales los alquimistas descubrieron muchas sustancias, a pesar de que ellos guardaban en el secreto más riguroso el resultado de sus experimentos. En el siglo XVI, cambia el objetivo de la Alquimia, de la búsqueda de oro y plata a la preparación de remedios curativos, que hallan una vasta aplicación práctica fundamentalmente en la medicina, la que recibe un poderoso impulso en su desarrollo. La Química como ciencia nació a mediados del siglo XVIII, cuando Lomonosov, científico ruso formuló, por primera vez, la ley de conservación del peso. Actualmente conocida como ley de conservación de la masa, que se estudiará en el desarrollo de este curso. Así se fueron sucediendo con el desarrollo del estudio de las sustancias y sus transformaciones todo un conjunto de leyes, teorías y principios que sustentan el carácter de ciencia de la Química. Dentro de estas leyes, destaca la Ley Periódica, descubierta por D. I. Mendeleiev, científico ruso, que permite la generalización de los conocimientos alcanzados sobre los diferentes elementos químicos descubiertos hasta el momento y la predicción sobre otros no conocidos. El desarrollo científico técnico de la humanidad está muy ligado a los conocimientos químicos que posee el hombre y con ello ha podido transformar y obtener innumerables sustancias que no se encuentran en estado natural, gracias a ello ha sido posible mejorar las cosechas, hacer que las tierras recuperen su fertilidad con el uso de fertilizantes y nuevos productos que no provocan alteraciones al medio ambiente, la eliminación de plagas, la creación de nuevas variedades de plantas. También la Química ha posibilitado la producción de medicamentos más efectivos, la elevación de la calidad de los materiales de construcción y los empleados en la cosmonáutica, entre otras ramas de la ciencia. La Química se emplea en: • La refinación del petróleo. • La producción de azúcar. • La industria de jabonería y perfumería. • La fabricación de cueros y textiles. • Productos farmacéuticos.

• Productos lácteos. • Bebidas alcohólicas. • La metalurgia. • La fabricación de vidrio y cerámicas. • La producción de papel y celulosa. • La purificación de sustancias. • Materiales de construcción. • La agricultura. • La cosmonáutica. • La síntesis de sustancia, entre otras ramas de la vida moderna. No siempre los avances de la Química han sido empleados o han repercutido en bien de la humanidad. Muchas sustancias por sus propiedades han sido empleadas con fines guerreristas, a las mismas se les ha denominado armas químicas y han sido utilizadas sobre personas inocentes. El Ejército de los Estados Unidos es el abanderado mundial en el empleo de estas armas, dando cumplimiento a la política de su gobierno. Han sido empleadas como armas químicas, entre otras, las sustancias siguientes: el dicloro y el fósforo blanco. La aplicación indiscriminada de estas sustancias además de cobrar vidas humanas, también afecta la flora, la fauna, el aire y el agua de los territorios donde son aplicados. Las sustancias conocidas por el hombre pueden causar efectos positivos o negativos en el medio ambiente, de acuerdo a sus propiedades y sus maneras de uso, con el conocimiento de la Química irás ampliando tus conocimientos al respecto, mediante el uso de este tabloide y otras fuentes de información. 1.1 ¿Qué estudia la Química? 1.2 El desarrollo de la ciencia química contribuye a lograr uno de los objetivos

fundamentales del socialismo: satisfacer las necesidades siempre crecientes del hombre. Argumenta la afirmación anterior.

1.3 Menciona ejemplos de aplicaciones concretas de la Química para el desarrollo de nuestro país.

1.1.- Las sustancias y sus propiedades . Todos los objetos existentes en la naturaleza son cuerpos físicos. Los cuerpos están formados por una o más sustancias. Son cuerpos físicos: un lápiz, una tiza, una camisa o un conductor eléctrico. Como ejemplos de sustancias se pueden mencionar: el agua, la sal común, el azúcar, el hierro, el níquel, el aluminio y el dioxígeno, entre varios millones de ellas. Las sustancias puras son aquellas que no están mezc ladas con otras y que poseen propiedades intensivas constantes a una temp eratura y/o presión determinada. Las propiedades intensivas son aquellas que no dependen de la masa de las sustancias, entre ellas se pueden mencionar: la densidad, la temperatura de fusión y la temperatura de ebullición.

Son otras propiedades de las sustancias: el olor, el sabor, el color, la capacidad para conducir el calor o la electricidad, el brillo, entre otras. Se conocen más de cinco millones de sustancias. Muchas de ellas existen en la naturaleza, otras son obtenidas por el hombre. Generalmente las sustancias en su estado natural no se presentan puras. Se ha comprobado experimentalmente que ninguna sustancia es igual a otra, pero si existen semejanzas y diferencias entre ellas. Por ejemplo el cloruro de sodio (sal de cocina) y la sacarosa (azúcar de caña o de remolacha) a 25 0C y 100 kPa son sólidos cristalinos de color blanco, solubles en agua y no tienen olor. Sin embargo, el cloruro de sodio es salado, su densidad es de 2,16 g/cm3, funde a 801 0C y su temperatura de ebullición es de 1413 0C; mientras que la sacarosa es dulce al paladar, su densidad es de 1,58 g/cm3, su temperatura de fusión es de 185 0C y no tiene temperatura de ebullición, ya que se transforma en otras sustancias antes de pasar al estado de vapor. Las propiedades caracterizan a las sustancias. Una propiedad no siempre es suficiente para distinguir a una sustancia de otra. Existen muchas propiedades que son comunes a varias sustancias como son: el color, el olor y la solubilidad en agua, entre otras.

Propiedad Aluminio Agua Dióxido de carbono

Estado de agregación

Sólido Líquido Gas

Color Gris Incolora Incoloro Solubilidad en

agua Prácticamente

insoluble Soluble

Densidad 2,70 g/cm3 1 g/cm3 1,53 g/cm3

t. f./ 0C 660,3 0 t. e./ 0C 2 467 100 - 78,5

Tabla 1.1 Algunas propiedades físicas de tres sustancias puras a una temperatura de 25 0C y/o una presión de 100 kPa. Por otra parte, hay propiedades de las sustancias que las caracterizan, como son: la densidad, la temperatura de ebullición y la temperatura de fusión. Los ejemplos los podemos observar en la tabla anterior. De acuerdo a su solubilidad en agua, otra de las propiedades de las sustancias, éstas se clasifican en solubles, poco solubles y prácticamente insolubles. Basándose en las propiedades de las sustancias, el hombre desde la antigüedad ha ido buscando diferentes aplicaciones para ellas. Las aplicaciones de las sustancias dependen de sus propiedades. La afirmación anterior podrá ser constatada con mayor profundidad en la medida en que se avance en los contenidos de la asignatura. 1,4 Define sustancia pura.

1,5 Menciona dos propiedades semejantes para el agua y el alcohol y dos que las diferencien. 1,6 ¿Cómo se clasifican las sustancias según su solubilidad en agua? Ejemplifique. 1,7 Cita cuatro propiedades físicas de cada una de las sustancias siguientes: dioxígeno, cobre y alcohol. 1,8 Consulta la tabla 1,1 y di en que estado de agregación se encuentra el aluminio a 100 kPa y a las temperaturas siguientes. a) 50 0C ______ b) 1 650 0C ________ c) 2 760 0C _______ 1,9 De las sustancias: cobre, hierro, gasolina y dioxígeno. • Escoge dos de ellas. Cita algunas propiedades de las sustancias escogidas y

relaciónalas con sus aplicaciones. 1,2 Las mezclas de sustancias. Las disoluciones. Por lo general, en la naturaleza las sustancias no se encuentran totalmente puras, sino mezcladas con otras. El aire es una mezcla de gases formado por dioxígeno, dinitrógeno, dióxido de carbono y vapor de agua. Las aguas naturales (océanos, lagos, ríos, manantiales y aguas subterráneas) contienen dioxígeno, dióxido de carbono y otras sustancias disueltas. Por ejemplo el cloruro de sodio y el cloruro de potasio en los mares y océanos, el carbonato de sodio y el carbonato de potasio en ríos y manantiales. Una mezcla es la unión de dos o más sustancias, sin que éstas se transformen. Las propiedades de las sustancias que conforman una mezcla por lo general se mantienen constantes dentro de ciertos límites. Para satisfacer sus necesidades el hombre ha creado mezclas de sustancias que no existen en estado natural, tales como el vidrio, el cemento, el gas de la calle (formado por monóxido de carbono, dihidrógeno, metano y aire), muchos medicamentos como los sueros y el alusil son mezclas. Las aleaciones son mezclas de dos o más sustancias en las que al menos una de ellas es un metal; como ejemplo de aleaciones podemos mencionar las siguientes: el acero (hierro y carbono), el latón (cobre y cinc), el bronce ordinario (cobre y estaño). Por su aspecto externo en ocasiones no podemos diferenciar una mezcla de una sustancia pura; para ello es necesario determinar, al menos, una de las propiedades siguientes: la temperatura de ebullición, la temperatura de fusión o la densidad, ya que éstas son constantes para cada sustancia pura en condiciones determinadas de presión y/o temperatura. Las disoluciones. Las disoluciones son un caso particular de las mezclas y se originan cuando una o más sustancias se dispersan en otra. En las disoluciones el o los componentes disueltos no se distinguen a simple vista, ni con ayuda del microscopio. Las disoluciones son mezclas homogéneas de dos o má s sustancias en proporciones variables, con propiedades constantes dentro de ciertos límites.

Las aleaciones se pueden encontrar en cualquiera de los tres estados de agregación. Entre ella tenemos a la aleaciones (sólidas), el aire (gaseosa) y las aguas naturales (líquidas). Estas últimas son las más frecuentes y desempeñan un importante papel en la vida del hombre. Las disoluciones líquidas se emplean en el hogar, la medicina, la agricultura y la industria. Muchos procesos y reacciones químicas ocurren en disoluciones líquidas, por ejemplo, las plantas toman los nutrientes del suelo en disolución acuosa. Las disoluciones líquidas están formadas por el sol uto que es el o los componentes disueltos o que se encuentran en menor proporción y el disolvente que es la sustancia que disuelve al solu to. Las disoluciones donde el agua es el disolvente se denominan disoluciones acuosas. Como ya se refirió anteriormente, las sustancias en su estado natural se encuentran mezcladas, por lo que el hombre se ha visto en la necesidad de recurrir a determinadas operaciones para obtenerlas lo más puras posible. Para separar los componentes de una mezcla hay que conocer las propiedades de las sustancias que la forman. Entre las operaciones más comunes que se emplean para la separación de una mezcla se encuentran: la decantación, la filtración, la vaporización y la destilación. La decantación se emplea para separar mezclas de líquidos y sólidos no miscibles entre sí, y en el que el sólido sea más denso que el líquido, por ejemplo una mezcla de arena y agua se separa por decantación. Para ello se trasvasa o se succiona el líquido. También se puede decantar una mezcla de líquidos no miscibles entre sí, utilizando el embudo de separación. Figura 1,9. Página 5, libro de texto química secundaria básica parte I para ilustrar, no es necesario el comentario. La filtración se emplea para separar mezclas de líquidos y sólidos no miscibles entre sí, en la cual el sólido sea menos denso que el líquido, por ejemplo, polvo de tiza en agua. Para realizar la filtración se utiliza un filtro a través del cual se hace pasar la disolución. Para ilustrar se puede usar la figura 1,11 de la página 15 del libro referido anteriormente.

Por otra parte, la vaporización se emplea para separar mezclas de sólidos en líquidos que sean miscibles entre si, pero que tengan diferentes temperaturas de ebullición y de la que se quiera obtener solo el sólido. Un ejemplo puede ser la sal que se obtiene en las salinas a partir del agua de mar. Figura 1,13 para ilustrar. Por último, la destilación se emplea para separar mezclas de líquidos o de líquidos y sólidos miscibles entre sí, que tengan diferentes temperaturas de ebullición y en la que se quiere recoger el o los componentes líquidos. Por ejemplo: la destilación del agua del acueducto. Figura 1,15 para ilustrar. 1,10 ¿Qué diferencia existe entre una sustancia pura y una mezcla? Mencione tres ejemplos de cada una. 1,11 ¿Cómo se puede saber si una muestra dada es una mezcla o una sustancia pura? 1,11 Teniendo en cuenta lo estudiado sobre las disoluciones. a) define los conceptos siguientes: disolución, soluto y disolvente. b) Cita dos diferencias entre una disolución y otro tipo de mezcla. c) ¿Cómo se clasifican las disoluciones según su estado de agregación? Cita

un ejemplo de cada tipo. 1,12 Las disoluciones y el agua tienen gran importancia para la vida en nuestro planeta. Argumenta la afirmación anterior. 1,13 Identifique el soluto y el disolvente en cada una de las disoluciones siguientes: a) disolución acuosa de cloruro de sodio.

b) Disolución de 3 mL de agua y 5 mL de alcohol. c) Refresco (disolución acuosa de azúcar, saborizantes y dióxido de carbono). 1.4 La reacción química. En la naturaleza están ocurriendo constantemente fenómenos como: la caída de un fruto, el movimiento de las plantas por la acción del aire, la ruptura de un vaso, la evaporación del agua cuando se calienta. Estos cambios no provocan la transformación de las sustancias en otras y por lo tanto se denominan fenómenos físicos. Si continuamos la observación, podemos observar que una cerca construida con alambres de hierro al cabo del tiempo se recubre de una capa de óxido, la maduración de un fruto, la combustión del gas en la cocina, el azúcar al calentarlo en un recipiente, primero se funde, se torna de color pardo, se desprende vapor de agua y finalmente se convierte en una sustancia de color negro. En todos los casos descritos, unas sustancias se transforman en otras con nuevas propiedades. Este tipo de cambio ocurrido se denomina fenómeno químico. A los fenómenos químicos se les denominan reacciones químicas. La reacción química es la transformación de una o m ás sustancias en otra u otras con propiedades diferentes a las que les di eron origen. Cuando una o más sustancias se transforman en otra u otras se producen cambios o manifestaciones que evidencian dichas transformaciones como son el cambio de coloración, el desprendimiento de un gas, el desprendimiento o la absorción de energía en forma de luz o calor y la aparición o desaparición de un sólido. En ocasiones ocurre una de estas manifestaciones y no tiene lugar una reacción química. Por lo general la energía asociada a una reacción química se manifiesta en forma de calor, aunque en ocasiones lo hace en forma de luz o de energía eléctrica, como en el caso de las pilas electroquímicas, que se emplean en el funcionamiento de radios, grabadoras y linternas, entre otros equipos. La energía luminosa que produce la combustión de una vela o del queroseno es utilizado en el alumbrado. En la combustión del petróleo o de sus derivados se libera gran cantidad de energía eléctrica con la cual funcionan innumerables industrias, el alumbrado público y la calefacción son otras aplicaciones de esta reacción química. En estos momentos el gobierno revolucionario hace un gran esfuerzo por racionalizar y darle el uso más adecuado a los combustibles y la energía eléctrica. Los altos costos del petróleo y sus derivados a nivel mundial harán de las medidas tomadas una gran fuente de entrada de divisas para el país lo cual incidirá en la elevación del nivel de vida de nuestro pueblo. A toda reacción química hay asociada una absorción o un desprendimiento de energía.

La combustión del carbón, la maduración de un fruto y la oxidación del hierro son ejemplos de reacciones donde se libera energía en forma de calor. Existen otras reacciones como la descomposición del carbonato de calcio por el calor en óxido de calcio (cal viva) y el dióxido de carbono gaseoso, la formación de carbohidratos a partir del proceso de fotosíntesis que ocurre en las plantas en presencia de la luz solar y la formación del monóxido de nitrógeno por la acción del dioxígeno y el dinitrógeno por la acción de un arco eléctrico en los que se requiere de energía para la ocurrencia de las mismas. En dependencia de que la energía involucrada en las reacciones químicas estas se clasifican en exotérmicas : cuando hay desprendimiento de energía y en endodérmicas : cuando hay absorción de energía. La energía calorífica desprendida o absorbida en las reacciones químicas, a presión constante, se representa internacionalmente con el símbolo ∆H. De forma convencional se ha adoptado el criterio siguiente: • Si la reacción es exotérmica : ∆H < 0 • Si la reacción es endotérmica: ∆H > 0 En una reacción química las sustancias que existen antes de comenzar la reacción se denominan sustancias reaccionantes y las que se forman durante la reacción se denominan sustancias productos. Por lo que una definición más acabada de reacción química puede enunciarse de la manera siguiente. La reacción química es donde la o las sustancias re accionantes se transforman en la o las sustancias productos con pr opiedades diferentes a las que le dieron origen y en ella hay involucrada energía en forma de calor. Las reacciones químicas se pueden representar mediante esquemas: En el esquema con palabras se escriben primero los nombres de las sustancias reaccionantes separados de los nombres de las sustancias productos por una saeta (→), si hay más de una sustancia tanto en los reaccionantes como en los productos se coloca un signo positivo (+) entre cada uno de los nombres y al final se coloca el valor relativo del ∆H para indicar si es exotérmica o endotérmica. Ejemplos: 1) glucosa + dioxígeno → dióxido de carbono + agua ∆H < 0 Luz 2) dióxido de carbono + agua → glucosa + dioxígeno ∆H > 0 Estas representaciones responden al proceso de respiración en el hombre y los animales, así como al proceso de fotosíntesis que ocurre en las plantas respectivamente. Como puedes apreciar la Química no solo se ocupa de las sustancias, sus propiedades y aplicaciones, sino también de la energía asociada en sus transformaciones o reacciones químicas.

1.14. Define con tus palabras reacción química. 1.15. ¿Cómo puedes reconocer que ha ocurrido una reacción química? 1.16. Menciona dos reacciones químicas que conozcas y represéntalas mediante un esquema con palabras. Resumen y Ejercitación. 1.17. ¿Cómo en Cuba, la ciencia Química contribuye al desarrollo de nuestra sociedad? 1.18. Elabore una tabla con las propiedades físicas de las sustancias siguientes: a) dioxígeno, b) óxido de níquel (II) c) dióxido de carbono d) aluminio e) óxido de calcio 1.19. ¿Dónde se aplican las sustancias mencionadas en el ejercicio anterior? Basándote en la aplicación planteada por ti para cada sustancia, expresa en qué propiedad de la misma se basan para su empleo. 1.20. ¿Cómo puedes determinar qué el agua de mar es una mezcla? 1.21. Cita ejemplos de sustancias puras, mezclas y disoluciones que se emplean en: a) la vida cotidiana. b) el desarrollo económico del país. Argumenta tus respuestas. 1.22. ¿Qué operaciones de separación de mezclas se utilizan en nuestro país para: a) la obtención de sal de cocina, en Guantánamo y Matanzas. b) la obtención de gasolina y diesel, en Santiago de Cuba, Cienfuegos y Ciudad de la Habana? Ubica en el mapa las provincias mencionadas anteriormente. 1.23. Menciona otros procesos industriales del país donde se empleen diferentes operaciones para separar mezclas. 1.24. Pon ejemplos de reacciones químicas que conozcas de: a) la vida diaria. b) el desarrollo industrial del país.

• Escoge una de las reacciones que plateaste y argumenta las razones por las que consideras que es una reacción química.

• ¿Son todas las reacciones químicas positivas para el desarrollo humano? Argumenta.

1.25. Valore los planteamientos siguientes: • El gas que se desprende de un refresco es una muestra inequívoca de

que está ocurriendo una reacción química. • Al encender un fósforo se produce una reacción química. • La lumbre del fogón de gas es un fenómeno luminoso que no puede ser

asociado a una reacción química.

1.26. ¿Con qué otras ciencias se ha vinculado la Química en nuestro país en función de lograr un mayor nivel de desarrollo y el mejoramiento del nivel de vida de la población? Ejemplifique y argumente.

Unidad # 2 El Dioxígeno. Introducción El aire es una mezcla de sustancias formada por diferentes componentes, entre ellos se encuentra el Dioxígeno que forma el 21% de la mezcla que compone el aire.

Fig. 2.1 Composición del aire. ¿Qué importancia tiene el Dioxígeno para la vida en nuestro planeta? ¿Qué partículas forman esta sustancia? ¿Por qué gran cantidad de sustancias arden en atmósfera de dioxígeno? En el desarrollo de este capítulo se dará respuesta a varias preguntas relacionadas con la sustancia dioxígeno. 2.1- Propiedades físicas del dioxígeno. Oxígeno com o elemento químico. Elementos químicos. Símbolo químico del oxígeno. Sí mbolos químicos. El dioxígeno como sustancia molecular. Sustancias mole culares. Fórmulas químicas. Nomenclatura y notación química de las su stancias simples.

• Propiedades físicas El dioxígeno es un gas, a temperatura ambiente, incoloro, inodoro e insípido, algo más denso que el aire y poco soluble en agua. La pequeña cantidad de dioxígeno que se disuelve es suficiente para satisfacer las necesidades respiratorias de los peces y otras especies acuáticas.

Si se enfría hasta una temperatura de -183 °C y a una presión de 100 kPa el dioxígeno pasa al estado líquido, siendo de color azul pálido, si se continua enfriando hasta -219 °C pasa al estado sólido y se torna de color azul intenso. 2.1- Confeccione un cuadro resumen donde relacione las propiedades físicas del dioxígeno. 2.2- ¿En qué estado de agregación se encuentra el dioxígeno a -190°C? Explique su respuesta. 2.3- Al calentar agua la solubilidad de los gases en ella disueltos disminuye y estos escapan a la atmósfera. ¿Sería conveniente utilizar agua hervida para llenar una pecera? Explique

• El oxígeno como elemento químico. Elementos químic os .

El oxígeno posee un número atómico igual a 8, que se representa por Z=8; el del hidrógeno Z=1; el del carbono Z=6 y así sucesivamente. El número atómico se le llama al número de protones que hay en el núcleo de un átomo y se representa por la letra Z como se ejemplificó anteriormente. La cantidad de protones presentes en un átomo determina la carga nuclear y como los átomos son eléctricamente neutros existen las mismas cantidades de protones en el núcleo que de electrones en la envoltura coincidiendo estos electrones con el número atómico del elemento químico.

Al conjunto de átomos de igual número atómico se le denomina elemento químico.

El oxígeno, el carbono, el cobre, el nitrógeno y el hidrógeno son ejemplos de elementos químicos. Hasta hoy se conocen los 107 elementos químicos.

Los átomos de un elemento químico tienen la misma carga nuclear y por tanto el mismo número atómico.

Los elementos químicos se caracterizan por presentar masas, pero como estas son muy pequeñas se tomó un patrón de masa y al resultado final de esta composición se le denomina Masa atómica relativa y se representa por (Ar).

La Masa atómica relativa es una propiedad de todos los elementos químicos.

La masa atómica relativa de cualquier elemento químico indica cuantas veces es mayor la masa del elemento que la masa de la unidad de masa atómica. A pesar que todos los átomos de oxígeno tienen igual número de protones en su núcleo, no tienen igual número de neutrones y cuando esto ocurre estamos en presencia de un isótopo. La mayor parte de los elementos químicos son una mezcla de isótopos naturales.

A continuación se plantean dos ejemplos. Fig. 2.2 Composición de los núcleos de los distintos átomos de oxígeno y carbono. 2.4- ¿A qué se le denomina número atómico? 2.5- ¿Qué es un elemento químico? 2.6- ¿Cuáles de los núcleos que se representan a continuación pertenecen a un mismo elemento químico? Explique. a) ¿Cuál será el número atómico de estos elementos químicos? b) ¿Cuántos electrones posee en su envoltura? c) ¿Cuál será su carga nuclear? A B C 1p 2p 2p 2n 3n 2n

• Símbolo químico del oxígeno. Símbolos químicos

Los químicos para poder entenderse, cualquiera que sea su idioma, han adoptado el convenio de representar a los elementos por medio de símbolos, por ejemplo: Los símbolos químicos se forman con una o dos letras; la primera es mayúscula y la segunda, si la tiene, es minúscula. Por ejemplo, en el primer caso:

átomo Composición de los núcleos O 8p 8p 8p

8n 9n 10n C 6p 6p 6p

6n 7n 8n

Idioma Nombre Símbolo Español Oxígeno O Inglés Oxigen O

Alemán Saverstoff O Checo Kyslik O

Los símbolos químicos son una representación escrita y abreviada de los elementos químicos y de un átomo de este.

Hidrógeno H Carbono C Nitrógeno N

Cuando el nombre de dos o más elementos químicos comienza con la misma letra, se utiliza una segunda que forme parte del nombre como se representa en el ejemplo siguiente:

Calcio Ca Cloro Cl Cromo Cr Cadmio Cd

La Unión nacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC siglas en inglés) es la organización que se ocupa de estos asuntos. La IUPAC ha acordado que para los símbolos de los elementos químicos a partir de Z=104 se utilizan 3 letras que se toman de su nombre. Por ejemplo: Z=104 Nombre Unnilquadium Símbolo: Unq Z=105 Nombre Unnilpentium Símbolo: Unp Las letras utilizadas para los símbolos químicos no siempre coinciden con las letras del nombre en español. Por ejemplo:

Nombre en español Símbolo Quím. Nombre de Procedencia

Idioma

Azufre S Sulphur Latín Sodio Na Natrium Latín

Fósforo P Phosphoros Griego Plata Ag Argentum Latín

Mercurio Hg Hidrargyros Griego Hierro Fe Ferrum Latín

Todos los elementos químicos conocidos aparecen relacionados en la tabla periódica de 18 columnas que es la más utilizada, estos se han colocado en orden creciente teniendo en cuenta su número atómico, formando 7 hileras denominadas períodos y 18 columnas denominadas grupos. De esta forma cada elemento químico ocupa un lugar determinado en la tabla periódica. Cada período se identifica con un número arábigo del 1 al 7 y cada grupo con un número romano del I al VIII, unas veces seguido de la letra A y otras de la letra B de acuerdo a la sección donde estén ubicados.

De esta tabla se pueden tomar varias informaciones de los elementos, como: símbolo, nombre, número atómico y la masa atómica relativa (Tabla 2.2 Lt. Pág. 40- 41Tabla periódica de los elementos químicos). 2.7- Escriba el símbolo químico de los elementos siguientes: Hierro, Flúor, Sodio, Cloro, magnesio, Calcio, Fósforo y Cobre. 2.8- Localice en la tabla periódica de 18 columnas los elementos químicos cuyos símbolos son: O, N, H, C, K a) Escriba su nombre, número atómico y masa atómica relativa. b) ¿En qué grupo y período se encuentra cada uno de ellos? El dioxígeno como sustancia molecular. Sustancias m oleculares . Fórmulas químicas. En la naturaleza los átomos de oxígeno y de otros elementos químicos están unidos o enlazados entre sí, excepto en un reducido grupo de gases denominado gases nobles o inertes: helio, neón, argón, criptón, xenón y radón. El dioxígeno está formado por moléculas diatómicas, es decir dos átomos de oxígeno unidos entre sí.

Las sustancias que como el dioxígeno están formados por moléculas, se denominan sustancias moleculares .

Además del dioxígeno; el dihidrógeno, el octazufre, el agua y el dióxido de carbono, son sustancias moleculares muy conocidas y utilizadas. En la Fig.2.3 del Lt. aparecen los modelos moleculares de algunas de estas sustancias. ¿Cómo pudiéramos representar estos modelos que aparecen en la figura 2.3 de una forma escrita más abreviada?

Fórmulas químicas Para representar la composición cualitativa de las sustancias moleculares se escriben los símbolos de los elementos químicos de los átomos que la forman. La composición cuantitativa se representa colocando en la parte inferior derecha del símbolo del átomo un número pequeño, que indica la cantidad de átomos de un elemento químico que hay en la molécula, a este número se le denomina subíndice.

La fórmula química es una representación escrita, abreviada y convencional de la composición de una sustancia.

Ejemplo:

Nombre Fórmula Composición Dioxígeno O2 Molécula formada por

dos átomos de oxígeno Dióxido de Carbono CO2 Molécula formada por un

átomo de Carbono y dos átomos de oxígeno.

Agua H2O Molécula formada por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno.

Importante : Las Fórmulas químicas indican la composición cualitativa y cuantitativa de las sustancias. 2.9- Escriba las fórmulas químicas de las sustancias cuyas moléculas están formadas por: a) dos átomos de nitrógeno. b) cuatro átomos de fósforo. c) un átomo de azufre y tres átomos de oxígeno. 2.10- ¿Qué información puede obtenerse de las fórmulas químicas de las sustancias moleculares siguientes? a) S8 b) NH3 c) CO d) N2O4 2.11- El azúcar de caña o sacarosa es una sustancia molecular formada por átomos de los elementos carbono, hidrógeno, y oxígeno. En cada molécula hay doce átomos de carbono, 22 átomos de hidrógeno y once de oxígeno. Escriba la fórmula de esta sustancia, que constituye uno de los principales renglones de nuestra economía. 2.12- La glucosa es una de las sustancias en las que se descompone la sacarosa. Escribe su formula química teniendo en cuenta la composición que se ofrece a continuación: Carbono---------- 6 átomos Hidrógeno------- 12 átomos Oxígeno--------- 6 átomos

a) escriba la información cualitativa y cuantitativa que se puede obtener de esta fórmula química.

Nomenclatura y notación química de las sustancias s imples . Como ya conocen las sustancias simples se clasifican en metales y no metales. Cada una de ellas se nombra o se escribe de forma diferente, comenzaremos explicando la utilizada para los metales. Para nombrar los metales (izquierda de la diagonal quebrada de la tabla periódica) solo se escribe el nombre del elemento químico. Ejemplos: Na: sodio; Ca: calcio; Al: aluminio. Para representar la fórmula de un metal se escribe el símbolo del elemento químico, que como sabes representa un átomo de este elemento. Ejemplos: litio: Li; cinc: Zn; hierro: Fe. Para ambos procesos puedes auxiliarte de la tabla periódica donde aparecen los símbolos y los nombres de los diferentes elementos químicos. Para nombrar los no metales se puede emplear el esquema siguiente: ________/_______________ prefijo si nombre del no metal hay más de un átomo. Los prefijos que se emplean para indicar el número de átomos del no metal son:

• 2 átomos: di • 3 átomos: tri • 4 átomos: tetra • 8 átomos: octa.

Ejemplos: Cl2: dicloro; O3: trioxígeno; P4: tetrafósforo; S8: octazufre. Para escribir la fórmula de estas sustancias se siguen los pasos siguientes:

• se escribe la fórmula del elemento químico. • Se interpreta el prefijo y se coloca como subíndice en la parte inferior de

éste el número de átomos que se corresponden. Ejemplos: dibromo: Br2; carbono: C; octazufre: S8 (subíndice). Ejercicios: 2.1.- Escriba la fórmula química de los metales siguientes:

a) bario b) cobre c) potasio d) níquel

2.2.- Escriba el nombre de los metales que aparecen representados a continuación: a) magnesio b) aluminio c) plata d) mercurio 2.3.- Escriba el nombre de los no metales representados. a) I2

b) Si c) N2 d) O3 e) P4 f) S8 2.4.- Escriba la fórmula química de los no metales siguientes. a) diflúor. b) dioxígeno c) carbono d) octazufre e) tetrafósforo.

2.2 Enlace en las moléculas. Enlace covalente apola r.

En estado sólido, las sustancias moleculares tales como el dioxígeno, el dióxido de carbono (comúnmente llamado hielo seco), el agua y el diyodo, entre otras, forman redes cristalinas moleculares. En estas redes las moléculas ocupan posiciones fijas donde siguen un orden determinado y se mantienen unidas debido a las fuerzas de interacción que se establece entre ellas. Al suministrar energía en forma de calor, la energía cinética de las moléculas aumenta y se eleva la temperatura consecuentemente, las fuerzas de atracción disminuyen y estas sustancias cambian de estado de agregación. Al cambiar el estado de agregación las moléculas dejan de ocupar posiciones fijas, rompiéndose el cristal molecular. Por ejemplo: a -219oC el dioxígeno sólido funde convirtiéndose en dioxígeno líquido. Las temperaturas relativamente bajas en que ocurren estos cambios de estado de agregación indican que las fuerzas de atracción entre las moléculas son débiles. La unión entre los átomos que forman las moléculas es mucho más fuerte por lo que indica una fortaleza en el enlace que une a los átomos en las moléculas, es por ello que para romper el enlace entre los átomos de carbono y oxígeno en el dióxido de carbono es necesario calentar esta sustancia por encima de los 2500oC mientras que el dióxido de carbono solo sublima a -78,5oC. en los cristales moleculares hay dos tipos de interacción, una débil entre las moléculas y una fuerte entre los átomos que constituyen las moléculas.

A las uniones de los átomos que forman las moléculas se le denomina Enlace Químico.

Las sustancias formadas por moléculas se caracterizan por una baja temperatura de fusión y ebullición, esto se debe a que al variar el estado de agregación se rompen las relativamente débiles fuerzas intermoleculares y no los enlaces químicos. Es por ello que a temperatura ambiente algunas sustancias como el dioxígeno, dinitrógeno, se encuentran en estado de

agregación gaseoso; el agua por ejemplo a temperatura ambiente es líquida y en estado sólido de fácil fusión se puede encontrar el octazufre y el tetrafósforo.

Enlace en las moléculas ¿Cuál es la naturaleza del enlace químico que une los átomos en las moléculas? Para dar respuesta a esta interrogante es preciso analizar una de las moléculas más sencillas que existen: la molécula de dihidrógeno. (H2) Cada átomo de hidrógeno tiene en su núcleo un solo protón y en su envoltura lógicamente un solo electrón. Cuando dos átomos de hidrógeno se acercan los núcleos atraen simultáneamente a los electrones y estos se sitúan con mayor probabilidad en la zona entre ambos núcleos como se representa en la figura 2.4. Se dice entonces que estos electrones pertenecen a ambos átomos o que son compartidos por estos.

Fig. 2.4 Esquema que representa la formación de un enlace covalente.

Al enlace químico que se forma por el compartimiento de electrones entre dos átomos se le denomina enlace covalente .

La formación del enlace covalente entre dos átomos de hidrógeno puede representarse simplificadamente de la forma siguiente:

H* + H* H ** H

H* + H* H – H

Los dos puntos o el guión ente los símbolos químicos del elemento representan dos electrones compartidos y este a su vez el enlace entre ellos. Ejemplo:

Nombre Fórmula química

Enlace entre los átomos

Dioxígeno O2 O = O Agua H2O

Dióxido de Carbono CO2 O = C = O

Dinitrógeno N2

Tabla 2.2 representación de los enlaces entre los átomos de algunas sustancias. 2.14- ¿A qué se le denomina enlace covalente? 2.15- ¿Se rompen los enlaces entre los átomos que forman las moléculas al fundir el agua sólida (hielo)? ¿Por qué? 2.16- Las sustancias moleculares tienen temperaturas de fusión y ebullición relativamente bajas. Argumente.

2.3- El dioxígeno como sustancia simple. Sustancias simples y compuestas .

El dioxígeno, O2, el dihidrógeno, H2, el octazufre, S8, son ejemplos de sustancias simples.

Las sustancias formadas por un solo elemento químico se denominan sustancias simples .

El agua, H2O, el dióxido de carbono, CO2, y el etanol, C2H5OH, son ejemplos de sustancias compuestas.

Las sustancias formadas por dos o más elementos químicos se denominan sustancias compuestas .

Los átomos del elemento oxígeno pueden unirse por medio de enlaces covalentes formando moléculas biatómicas, O2, constituyentes de la sustancia simple conocida como dioxígeno. Cuando se hace pasar una descarga eléctrica a través del dioxígeno O2, se obtiene el trioxígeno u ozono formado por tres átomos del elemento oxígeno, por lo que su fórmula química es O3.

Tabla 2.3 Algunas propiedades del dioxígeno y el trioxígeno.

Propiedades Físicas O2 O3

Color incoloro Azul Claro Olor inodoro Fuerte y

penetrante Solubilidad en agua Poco

soluble Poco soluble pero más que el O2

T. Ebullición/ oC - 183 oC - 111, 0 oC 2.17- Clasifica en simples o compuestas las sustancias que aparecen a continuación:

a) C2H5OH c) NH3 e) Cl2 b) N2 d) I2 f) C12H22O11 2.17.1- Escriba el nombre de las sustancias simples.

2.4- El dioxígeno como metal y no metal. Metales y no metales.

El dioxígeno tiene propiedades muy diferentes a otras sustancias simples conocidas: los metales. Las sustancias simples se clasifican en dos grandes grupos: metales y no metales. El dioxígeno, el dinitrógeno y el octazufre son ejemplos de la gran variedad de sustancias no metálicas que existen en la naturaleza, así mismo, el cobre, el hierro, el calcio son ejemplos de sustancias metálicas (consultar tabla 2.1 y ver la ubicación de estos elementos. Los metales tienen propiedades físicas comunes entre ellos que los diferencia de los no metales como son: el brillo metálico, la buena conductividad térmica y eléctrica, son dúctiles, maleables, son sólidos a temperatura ambiente (25 oC), excepto el mercurio que a esta temperatura es líquido (es el único metal que se encuentra líquido a temperatura ambiente ). Ellos forman redes cristalinas atómicas, en ellos los átomos se unen entre sí formando cristales de diversos tamaños y la naturaleza y propiedad del enlace químico que une los átomos se diferencia considerablemente de los no metales.

La unión entre los átomos que forman las redes cristalinas de los metales es un enlace químico que se denomina Enlace Metálico.

En el enlace metálico los electrones más externos de cada átomo son atraídos simultáneamente por varios núcleos teniendo cierta libertad de movimiento en el cristal; es por ello que los metales tienen la propiedad de ser excelentes conductores de la corriente eléctrica. La fortaleza del enlace metálico varía notablemente de un metal a otro. Como el cambio de estado de un metal implica la ruptura del enlace entre sus átomos, las temperaturas de fusión son también variadas. Ejemplo: sodio 97,5 oC, hierro 1535 oC. Los no metales pueden ser sustancias moleculares, como el dioxígeno, el tetrafósforo, el dinitrógeno, y el octazufre, o formar redes atómicas como es el caso del diamante (variedad alotrópica del carbono) y el silicio. En la tabla periódica los símbolos de los elementos químicos que forman las sustancias no metálicas se separan de los que forman las metálicas por una línea diagonal quebrada. De esta forma los elementos metálicos quedan a la izquierda de la línea quebrada y los no metálicos a la derecha de la misma. La mayoría de los elementos químicos que se conocen y que están representados en la tabla periódica, son metales. 2.18- Realice un cuadro comparativo acerca de las propiedades físicas de los metales y no metales. 2.19- Explique las características fundamentales que diferencian el enlace metálico del enlace covalente. 2.20- Escriba el nombre de las sustancias que se representan a continuación:

a) Fe b) Cl2 c) Si d) H2

2.20.1- Clasifíquelas en metal y no metal, con ayuda de la tabla periódica. 2.21- Escriba la fórmula química de las sustancias siguientes: a) Trioxígeno d) Tetrafósforo b) Cobre e) Potasio c) Dinitrógeno f) Diyodo 2.21.1- Clasifíquelas en simples o compuestas y en metal o no metal.

2.5 – Propiedades químicas del dioxígeno . El dioxígeno reacciona directamente con casi todas las sustancias simples y con muchas sustancias compuestas.

Reacción del dioxígeno con los metales. Si se coloca una porción de lana de acero en el extremo de una cucharilla de combustión y se calienta a la llama, al introducirlo rápidamente en un frasco que contenga dioxígeno el hierro arderá produciendo un brillante chisporreteo. En la reacción se obtiene una masa sólida de color negruzco formada por óxido de hierro II y III.

Hierro + dioxígeno óxido de hierro II III ∆H < 0 (sólido) (gaseoso) (sólido) El magnesio reacciona con el dioxígeno produciendo gran desprendimiento de luz y calor. El producto de esta reacción es un sólido de color blanco llamado óxido de magnesio. Magnesio + dioxígeno óxido de magnesio ∆H < 0 (sólido) (gaseoso) (sólido) Muchos metales reaccionan con el dioxígeno formando el óxido metálico correspondiente. METAL + DIOXGENO OXIDO METALI CO

Reacción del dioxígeno con los no metales

En una cucharilla de combustión se calienta a la llama una pequeña cantidad de octazufre en polvo hasta que comience a arder y después se introduce en un frasco que contenga dioxígeno. El octazufre continúa ardiendo pero su llama será más intensa de color azul, en esta reacción se obtiene un gas incoloro de olor sofocante llamado dióxido de azufre. Octazufre + dioxígeno dióxido de azufre ∆H< 0 (sólido) (gaseoso) (gaseoso) Se produce de manera similar colocando una porción de carbono en una cucharilla de combustión y se calienta y se calienta a la llama hasta su temperatura de ignición. Al introducirlo en un frasco que contenga dioxígeno, arderá intensamente. En esta reacción se obtiene un compuesto llamado dióxido de carbono. Carbono + dioxígeno dióxido de carbono ∆H < 0 (sólido) (gaseoso) (gaseoso)

Los no metales reaccionan con el dioxígeno formando el óxido no metálico correspondiente. NO METAL + DIOXIGENO OXIDO NO METALICO

Reacción del dioxígeno con algunas sustancias compu estas . El dioxígeno además de reaccionar con metales y no metales, reacciona con muchas sustancias compuestas, por ejemplo con los hidrocarburos, que son sustancias moleculares formadas por átomos de carbono e hidrógeno. El metano CH4, principal componente del gas natural, la gasolina, líquido formado por hidrocarburos entre ellos el heptano, C7H16, el acetileno, C2H2, gas utilizado en los sopletes para cortar y soldar metales. Al hacer reaccionar estas sustancias con el dioxígeno se desprende gran cantidad de energía en forma de calor y se obtiene dióxido de carbono y agua. Metano + dioxígeno dióxido de carbono + agua ∆H < 0 (gas) (gas) (gas) (gas) Acetileno + dioxígeno dióxido de carbono + agua ∆H < 0 (gas) (gas) (gas) (gas)

Los hidrocarburos reaccionan con el dioxígeno formando dióxido de carbono y agua. HIDROCARBURO + DIOXIGENO DIOXIDO DE + H2O CARBONO

Algunas sustancias compuestas formadas por carbono, hidrógeno y oxígeno como la celulosa, C6H10O5, principal componente del papel y la madera y el etanol C2H5OH también reaccionan con el dioxígeno formando dióxido de carbono y agua. Celulosa + dioxígeno dióxido de carbono + agua ∆H < 0 (sólido) (gas) (gas) (gas)

Reacción de Combustión El término combustión suele aplicarse comúnmente a las reacciones químicas que desprenden gran cantidad de energía en forma de luz y calor. En las denominadas combustiones ordinarias una de las sustancias reaccionantes es el dioxígeno y como ella permite la combustión en su seno, recibe el nombre de comburente y a las sustancias que arden en atmósfera de dioxígeno se les denomina combustibles. Los combustibles de mayor importancia son el carbón, el petróleo (mezcla de hidrocarburos), los derivados de este (gasolina, queroseno, y gas licuado de balón), la madera y el etanol.

Durante la combustión de estas sustancias se obtiene dióxido de carbono y agua (combustión completa) pero con escasez de dioxígeno también puede producirse monóxido de carbono (gas venenoso) y carbono libre que origina un humo negro y agua, cuando esto ocurre se produce una combustión incompleta. 2.22- En un frasco se ha recogido un gas incoloro ¿Cuál será la forma más sencilla de comprobar que este gas es el dioxígeno? 2.23- Las sustancias combustibles arden con mayor intensidad en dioxígeno puro que al aire. Argumenta. 2.24- Representa el esquema con palabras de las reacciones entre el dioxígeno y: a) el Litio b) el Nitrógeno c) el etanol 2.25- ¿Por qué se plantea que el dioxígeno es comburente?

2.6- Aplicaciones del dioxígeno . Las principales aplicaciones del dioxígeno (Fig. 2.5) se basan fundamentalmente en sus propiedades de ser comburente y participar en la respiración. El enriquecimiento del aire con el dioxígeno puro permite la combustión más intensa con lo que se alcanzan temperaturas más altas. Esto es aprovechado en numerosos procesos industriales. Por ejemplo, durante la fundición del hierro colado, en los altos hornos, al aire se añade dioxígeno puro, lo que permite acelerar el proceso de producción. El dioxígeno mezclado con acetileno u otros gases combustibles se utilizan para cortar y soldar metales. La combustión de ciertas sustancias tales como el serrín u otras sustancias porosas impregnadas con dioxígeno líquido puede provocar violentas explosiones. Estas mezclas se utilizan como explosivos para la construcción de túneles, carreteras, en la minería, etc. El dioxígeno que llega a los pulmones es transportado por la sangre en forma de disolución y combinado químicamente con la hemoglobina de los glóbulos rojos. Esta importantísima propiedad es aprovechada en la medicina para el tratamiento de algunas enfermedades como neumonía, ciertas afecciones cardíacas, asma, etc., que provocan que al organismo no llegue dioxígeno en cantidades suficientes. En estos casos a los pacientes se les suministra dioxígeno.

Fig. 2.5 Algunas aplicaciones del dioxígeno. Cuando el hombre se ve sometido a determinadas condiciones en las que no existe dioxígeno, o no se encuentra en las cantidades suficientes o esté mezclado con sustancias tóxicas, se suministra dioxígeno por medio de caretas u otros dispositivos. Ejemplo de condiciones que requieren este suministro es: vuelos de pilotos y cosmonautas a grandes alturas, viajes submarinos, buceo y trabajo en minas. 2.26- Confeccione un cuadro resumen donde relacione las aplicaciones del dioxígeno con sus principales propiedades. 2.27- En la fabricación del acero se utiliza el dioxígeno para quemar y eliminar impurezas como el carbono, tetrafósforo y octazufre que comunican propiedades no deseadas a los aceros. a) ¿En qué propiedad del dioxígeno se basa esta aplicación? b) Represente mediante esquemas con palabras las reacciones químicas que se llevan a cabo. 2.28- En los sopletes utilizados para cortar y soldar metales se mezcla dioxígeno y un hidrocarburo llamado acetileno (C2H2). La mezcla se combustiona y arde con llama blanca, cuya temperatura alcanza los 3000C. a) ¿En qué propiedad del dioxígeno se basa dicha aplicación? b) Representa la reacción descrita mediante un esquema con palabras.

2.7- Resumen y ejercitación de la unidad

2.29. Escriba el nombre o la fórmula de las sustancias simples que representamos a continuación, según corresponda:

Tabla 2,1. Tabla periódica de los elementos. Página 41

Unidad III. Los óxidos.

Introducción. Los óxidos son compuestos binarios constituidos por el elemento oxígeno y otro elemento metálico o no metálico. En la naturaleza muchas de las sustancias conocidas son óxidos, por ejemplo:

• El dióxido de carbono, CO2, gaseoso a temperatura ambiente, más denso que el aire, no arde ni mantiene la combustión, se emplea en la preparación de refrescos, cervezas, aguas y en los extintores de incendios,, es uno de los principales contaminantes de nuestro planeta ya que un excesos en la atmósfera es un peligro potencial determinado por el llamado efecto invernadero que provoca la elevación de la temperatura promedio del planeta de lo que puede derivarse desastres como la fusión de los casquetes polares y las consecuentes inundaciones por la elevación del nivel de agua.

• El monóxido de carbono, CO, gaseoso a temperatura ambiente, incoloro, inodoro, insípido y muy tóxico, se encuentra entre los gases de escape de los automóviles, cantidades relativamente pequeñas de este óxido en el aire pueden provocar la muerte, ya que al ser respirado se combina con la hemoglobina de la sangre interfiriendo la función transportadora del dioxígeno, por lo que las células mueren.

• El dióxido de azufre, SO2, es uno de los contaminantes más dañinos del aire, incoloro, tóxico, de olor sofocante, unido al agua de lluvia o vapor de agua presente en la atmósfera forman las llamadas lluvias ácidas que contaminan las aguas, afectan animales y plantas, edificios, equipos industriales, etc.

• El monóxido de nitrógeno, NO, y el dióxido de nitrógeno, NO2, son agentes contaminantes del medio ambiente que se producen al quemar combustibles fósiles en termoeléctricas, industrias y en los motores de combustión interna, pueden irritar las vías respiratorias, provocar complicaciones pulmonares y la muerte, estos gases son claves en la cadena de reacciones químicas que producen el llamado smog de las ciudades.

• El agua, H2O, que es el más importante de todos los óxidos y posiblemente de dotados los compuestos, indispensable para la vida en nuestro planeta.

• El dióxido de silicio, SiO2, que forma la sílice o arena, muy poco reactivo y prácticamente insoluble en agua, es ampliamente utilizado en la construcción, en la industria del vidrio y de la porcelana.

• La pirolusita, MnO2, mineral del que existen yacimientos en varias provincias de nuestro país, la hematina, Fe2O3, y la cuprita, Cu2O, entre otros minerales que forman parte de la corteza terrestre.

• Prácticamente en todo el mundo el hierro se obtiene por reducción de óxidos de hierro en los altos hornos.

3.1.- Los óxidos. Clasificación. Propiedades física s. Estructura de los óxidos no metálicos. Enlace covalente polar. Atendiendo a su composición y propiedades, los óxidos se clasifican en óxidos metálicos, en dependencia de que el otro elemento unido al oxígeno sea metálico (aparece a la izquierda de la línea diagonal quebrada en la tabla periódica) o no metálico (aparece a la derecha de la línea diagonal quebrada en la tabla periódica). Propiedades físicas. Las propiedades físicas de los óxidos son extraordinariamente variadas. Algunos son gaseosos a temperatura ambiente, como el dióxido de carbono, CO2, otros son líquidos a temperatura ambiente como el agua, H2O, y otros por el contrario son sólidos de elevadas temperaturas de fusión como el óxido de magnesio, MgO, el óxido de calcio, CaO, etc. El color, la solubilidad, el olor y otras propiedades también varían grandemente de unos óxidos a otros, veamos algunos ejemplos en la tabla 3.1 que aparece a continuación. Tabla 3.1. Propiedades físicas de algunos óxidos. Nombre Fórmula

química Color Temperatura

de fusión (oC) Olor

Dióxido de carbono

CO2 Incoloro -78,5 Inodoro

Agua H2O Incolora 0 Inodora Óxido de cobre (I)

Cu2O rojo 1 235 Inodoro

Óxido de calcio

CaO Blanco 2 614 inodoro

Dióxido de azufre

SO2 Incoloro -72,7 Sofocante

Estructura de los óxidos no metálicos. La mayoría de los óxidos no metálicos son sustancias moleculares. En las moléculas de estos óxidos los átomos de los elementos no metálicos y los del oxígeno se encuentran unidos por medio de enlaces covalentes. En la figura 3.1 aparecen algunos modelos de moléculas de óxidos no metálicos.

En las moléculas de las sustancias simples tales como el dioxígeno, O2, dihidrógeno, H2, dinitrógeno, N2, los electrones del enlace covalente son igualmente compartidos entre los átomos de un mismo elemento. A diferencia, en las moléculas de los óxidos no metálicos, los electrones son compartidos entre los átomos de distintos elementos químicos, en este caso átomos de oxígeno y de otro elemento no metálico. En la figura 3.2 aparecen representados los enlaces en las moléculas de dióxido de carbono, CO2, y agua, H2O. O O = C = O H H Figura 3.2. Representación de las moléculas de CO2 y H2O. En estas moléculas los pares de electrones del enlace son desigualmente compartidos, siendo más atraídos por los átomos de oxígeno que por los del otro elemento no metálico. Por atraer los átomos de oxígeno más fuertemente los electrones, la densidad de carga negativa está desplazada hacia estos átomos, que como resultado adquieren una carga parcial negativa, δ (-), mientras que los átomos de los otros elementos no metálicos adquieren una carga parcial positiva, δ (+). El comportamiento desigual de los electrones de un enlace covalente provoca que aparezcan dos polos, uno negativo sobre los átomos que atraen con mayor fuerza los electrones y uno positivo sobre los que ejercen menor atracción sobre los electrones del enlace, figura 3.3. δ (-) δ (-) δ (+) δ (-) δ(+) O δ(+) O = C = O H H Figura 3.3. Representación de las moléculas de dióxido de carbono, CO2, y de agua, H2O, con los polos que se originan en el enlace entre sus átomos. El enlace covalente polar ocurre entre átomos difer entes y con electrones se encuentran más atraídos por un átomo que por el otro; cuando se produce entre átomos iguales es no polar o apolar. El oxígeno es uno de los elementos más electronegativos, superado solo por el flúor. En la molécula de dióxido de carbono, CO2, la polaridad de los enlaces carbono-oxígeno queda compensada, debido a la disposición lineal en que se encuentran sus tres átomos, por lo que la molécula en su conjunto no presenta polos resultantes. A diferencia de las moléculas dióxido de carbono la del agua, H2O, es asimétrica. Los átomos de hidrógeno no están en línea recta sino formando

un ángulo de 104,5 0, por lo que tiene un dipolo resultante que hace que sus moléculas sean fuertemente polares. La polaridad de las moléculas depende no solo de la presencia de enlaces polares sino también de la distribución esp acial de los átomos en la molécula. Las relativamente bajas temperaturas de ebullición y de fusión de los óxidos moleculares se deben a que las interacciones entre las moléculas son de poca intensidad y fáciles de vencer. Cuando estas sustancias funden no se rompen los enlaces covalentes entre sus átomos sino que solo se vencen las interacciones atractivas moleculares. Cuando las moléculas poseen mayor polaridad, sus temperaturas de fusión y de ebullición serán mayores también, ya que la atracción entre las moléculas es más intensa, como consecuencia de las atracciones electrostáticas entre el extremo positivo de una molécula y el extremo negativo de la otra. El dióxido de silicio, SiO2, a diferencia de otros óxidos no metálicos, no está formado por moléculas individuales sino por una red cristalina como puede ser la que aparece en la figura 3.6. En esta red los átomos de oxígeno y de silicio se unen por medio de fuertes enlaces covalentes. Figura 3.4. Red cristalina atómica del dióxido de silicio. 3.1.- Defina los conceptos siguientes: a) óxido. b) óxido metálico. c) óxido no metálico. 3.2.- Clasifique atendiendo a su composición y propiedades las sustancias cuyas fórmulas químicas se relacionan a continuación. Na2O SiO2 ZnO SO2 Cl2O7 FeO N2O4 CO BaO I2O5 3.3.- ¿Cuáles de los óxidos que aparecen en la tabla 3.1 son sólidos a temperatura ambiente? 3.4.- ¿A que se denomina enlace covalente polar y apolar? 3.5.- ¿Qué es la electronegatividad? 3.6.- ¿Por qué la mayoría de los óxidos no metálicos poseen relativamente bajas temperaturas de fusión y ebullición? 3.7.- Compare las estructuras del dióxido de carbono, CO2, y del agua, H2O, teniendo en cuenta los aspectos siguientes: a) composición de sus moléculas. b) tipo de enlace entre los átomos que forman sus moléculas. c) distribución espacial de los átomos que forman la molécula.

d) polaridad de las moléculas. 3.8.- ¿Por qué el agua tiene temperatura de fusión y de ebullición mayor que las del dióxido de carbono? 3.9.- Compare las estructuras cristalinas del diamante y la del silicio a) ¿Qué tipo de enlace une a los átomos en estas redes cristalinas? b) ¿Tiene el dióxido de silicio una temperatura de fusión elevada o relativamente baja? Explique. 3.2.- estructura de los óxidos metálicos. Enlace ió nico. El óxido de magnesio, MgO, es un sólido blanco de elevada temperatura de fusión, 2 642 0C. Esta propiedad permite predecir que esta sustancia no es una sustancia molecular. El óxido de magnesio no está formado por moléculas sino por otras partículas denominadas iones. Los iones se forman cuando un átomo pierde o gana electrones. Figura 3.7. Representación de la formación de los iones Mg2+ y O2-. El óxido de magnesio, MgO, está constituido por iones magnesio con dos cargas eléctricas positivas, Mg2+, y por iones óxido con dos cargas eléctricas negativas, O2-, formando una red cristalina como la que aparece en la figura 3.8. Figura 3.8. Modelo de red cristalina iónica del óxido de magnesio. A la red cristalina constituida por iones se le den omina red cristalina iónica o red iónica, y a las sustancias con esta es tructura sustancias iónicas. Los iones magnesio, Mg2+, y los iones óxido, O2-, se mantienen unidos por la fuerte atracción de sus cargas eléctricas contrarias. El enlace químico entre iones de cargas eléctricas contrarias se denomina enlace iónico. Los cristales de óxido de magnesio pueden tener un mayor o menor número de iones, en dependencia de su tamaño, pero en todos los casos por cada ion óxido hay un ion magnesio; de ahí que su carga eléctrica resultante es nula.

Otros óxidos metálicos como los de los elementos de los grupos IA y IIA de la tabla periódica entre otros, están constituidos por iones O2- e iones metálicos unidos por enlaces iónicos. El enlace iónico es característico de aquellos óxidos cuyos metales tienen valores pequeños de electronegatividad. En la medida en que los átomos de los elementos metálicos tengan mayor electronegatividad el carácter iónico del enlace con el oxígeno disminuye y aumenta el carácter covalente polar de estos enlaces, como ocurre en el óxido de aluminio, Al2O3, y el óxido de cinc, ZnO. La estructura de los óxidos metálicos, en la que los iones o átomos parcialmente cargados se mantienen unidos en virtud de fuertes atracciones electrostáticas que se extienden en todas direcciones en el cristal, es la causa de que la mayoría de estas sustancias sean sólidos de elevadas temperaturas de fusión. En los cristales, como el del óxido de magnesio, MgO, no existen moléculas por lo que las fórmulas químicas de estas sustancias solo nos indican la menor relación que hay entre el número de partículas. Por ejemplo la fórmula MgO nos informa que en la sustancia óxido de magnesio por cada ion magnesio hay un ion óxido. 3.10. Menciona dos ejemplos de óxidos metálicos que conozcas:

• escribe sus fórmulas químicas, • plantea sus propiedades, y • explica en qué propiedades se basa el uso que se le da.

3.11. Durante la clase de Química a un estudiante se le presentan dos sustancias: una sustancia A y otra B. La sustancia A es líquida de elevada temperatura de fusión y ebullición. La sustancia B es un sólido de elevada temperatura de fusión y ebullición. Atendiendo a las propiedades conocidas se le pide al estudiante, predecir: El tipo de enlace que presenta cada una de estas sustancias. Argumente.

3.3.- Nomenclatura y notación química de los óxidos . El primer grupo de sustancias compuestas estudiadas son los óxidos. Comenzaremos analizando la nomenclatura y notación química de los óxidos metálicos. Para nombrar y escribir la fórmula de estos compuestos químicos existen determinadas reglas que te expondremos a continuación. Para nombrar los óxidos metálicos se emplea el esquema siguiente: __óxido_____ __de___ __________ _ (___)__ palabra preposición nombre del número de metal oxidación si es Hg, Cu, Fe, Ni, Pb Los elementos mencionados para que se les indique su número de oxidación no son los únicos, pero si los más utilizados.

Ahora, como se determina el número de oxidación del elemento metálico: en primer lugar es conocido que número de oxidación del oxígeno en todos los óxidos es 2-. Teniendo en cuenta el dato anterior, se sigue el procedimiento que representamos a continuación: Ejemplo: Cu2O

2- (.) ( : ) 2 1

1. se coloca el número de oxidación del oxígeno. 2. se multiplica el valor absoluto del número de

oxidación del oxígeno por su número de átomos en el compuesto, dando el resultado parcial 1 (2.1=2).

3. el valor obtenido se divide por el número de átomos del metal en el compuesto (2:2=1) y se obtiene el resultado 2 del esquema.

4. el resultado anterior se expresa en números romanos.

Cu2O2- (.)

( : ) 2 1 Por lo que aplicando el esquema y el resultado del cálculo el nombre de esta sustancia es: óxido de cobre (I). El número de oxidación es la carga eléctrica real o aparente que tiene un átomo cuando se cuentan los electrones atendiend o a ciertas reglas convencionales y arbitrarias . Ejemplos: MgO: óxido de magnesio. Al2O3: óxido de aluminio. K2O: óxido de potasio. Fe2O3: óxido de hierro (III) Fe2O3

2- (. ) ( : ) 2 1 Nota: esta no es la única forma de calcular el número de oxidación. Si se va a calcular el número de oxidación para otros fines, tal y como se define, hay que colocarle la carga eléctrica y ésta se determina ubicándole al resultado final del cálculo la carga contraria a la del elemento conocido. Para los casos analizados sería: 1+ para el cobre del óxido de cobre (I) y 3+ para el hierro del óxido de hierro (III). Para escribir la fórmula de los óxidos metálicos se siguen los pasos siguientes:

2 1

6 3

• se escribe el símbolo del metal y el oxígeno, uno a continuación del otro. Por ejemplo: óxido de sodio: Na O

• se sitúa sobre cada uno en la parte derecha su número de oxidación. Ejemplo: Na1+O2-

• se intercambian los valores absolutos de los números de oxidación y se colocan como subíndice en la parte inferior derecha de cada elemento. Ejemplo:

Na21+O2-

Como puede apreciarse el número 1 no se escribe como subíndice ya que el propio símbolo del elemento representa un átomo del mismo • se simplifican los subíndices en caso necesario, hasta la mínima

relación posible entre los átomos. Ejemplo: óxido de plomo (IV) Pb2

4+O42-, se simplifican los subíndices y queda: PbO2.

Para nombrar los óxidos no metálicos se sigue otro esquema:

_______/__óxido_ ____de____ _____/______________ prefijo palabra preposición prefijo nombre del no metal si hay más de un átomo Los prefijos empleados para este tipo de óxido son:

• 1 átomo: mono • 2 átomos: di • 3 átomos: tri • 4 átomos: tetra • 5 átomos: penta • 7 átomos: hepta

Ejemplos: Nombre los compuestos químicos representados a continuación: CO: monóxido de carbono. SO3: trióxido de azufre. P2O5: pentóxido de difósforo. Para escribir la fórmula de los óxidos no metálicos, son necesarios solo dos pasos

• se escribe el símbolo del no metal y el del oxígeno uno a continuación del otro.

• Se interpreta el prefijo y se coloca como subíndice del elemento al que le corresponda.

Ejemplo: escriba la fórmula que representa a la sustancia heptóxido de dicloro. Primer paso: ClO; Segundo paso: Cl2O7. Ejercicios.

Tabla de números de oxidación.

3.4.- La representación de las reacciones químicas. La ecuación química. A partir de las fórmulas de las sustancias que intervienen en la una reacción química y conociendo que el número de átomos de cada elemento antes de la reacción es igual al número de átomos de cada elemento después de la reacción, es posible representar las reacciones químicas por medio de ecuaciones químicas. Recuadro página 78. Una ecuación química es una representación esquemát ica, abreviada y convencional de una reacción química que nos brinda una información cualitativa y cuantitativa. A diferencia de los esquemas con palabras utilizados para representar las reacciones químicas, en las ecuaciones químicas es necesario proceder de la manera siguiente:

• Cada sustancia reaccionante y producto se representa por su fórmula química, separadas por una saeta.

Ejemplo: H2 + O2 H2O • Se indican los estados de agregación de cada sustancia, colocando a

la derecha de la fórmula, entre paréntesis las letras s, l, g, según sean sólidos, líquidos o gaseosos. Las sustancias en disolución acuosa se indican colocando ac.

Ejemplo: H2 (g) + O2 (g) H2O (l) • Se comprueba si el número de átomos de cada elemento químico que

hay en reaccionantes y productos, es igual. Ejemplo: H2 (g) + O2 (g) H2O (l) H: 2 átomos H: 2 átomos O: 2 átomos O: 1 átomo • Si es necesario se iguala el número de átomos de cada elemento en

reaccionantes y productos, colocando delante de las fórmulas números denominados coeficientes o números estequiométricos.

Ejemplo: 2 H2 (g) + O2 (g) 2 H2O (l) H: 4 átomos H: 4 átomos. O: 2 átomos O: 2 átomos. • Entre las sustancias reaccionantes y productos se escribe un signo de

igualdad. Ejemplo: 2 H2 (g) + O2 (g) = 2 H2O (l) Al procedimiento de colocar coeficientes delante de las fórmulas de las sustancias al escribir una ecuación química, de forma que el número de

átomos de cada elemento en reaccionantes y productos sea igual, se le denomina AJUSTE. En el ajuste de una ecuación química nunca se deben modificar los subíndices sino colocar coeficientes delante de las fórmulas. Cada ecuación química nos ofrece una información cualitativa y otra cuantitativa. Por ejemplo: 2 Mg (s) + O2 (g) 2 MgO (s) Para la reacción anterior, la información cualitativa que se nos ofrece es la siguiente: El magnesio sólido reacciona con el dioxígeno gaseoso y se produce óxido de magnesio sólido. Quiere decir que la información cualitativa nos informa las sustancias que intervienen y sus estados de agregación. La información cualitativa, nos puede ofrecer: • la relación en cantidad de partículas en que se combinan y

producen las sustancias en la reacción química, a partir de este criterio la información cuantitativa es: por cada 2 átomos de magnesio reacciona 1 (una) molécula de dioxígeno y se forman 2 unidades estructurales de óxido de magnesio. En este criterio hay que tener bien en cuenta el tipo de partículas que constituyen la sustancia según se ha ido estudiando anteriormente. Más adelante estudiarás otras informaciones cuantitativas que puede ofrecer una ecuación química. Ejercicios. 3.5.- Ley de Conservación de la Masa . La ley de conservación de la masa, es la primogénita en el conjunto de leyes, teoría y principios que constituyen el soporte teórico de la ciencia química. La ley antes mencionada se deriva de los trabajos realizados por los científicos: M. L. Lomonosov (1711-1765), ruso y A. L. Lavoisier (1743-1794), francés. Ambos demostraron con sustancias diferentes que la masa total de las sustancias reaccionantes es igual a la masa total de las sustancias productos durante una reacción química. Por lo que la ley se enuncia como sigue: la masa total de las sustancias que reaccionan es igual a la masa total de las sust ancias que se producen durante una reacción química. Esto puede comprobarse experimentalmente al calentar en un recipiente cerrado cobre metálico, pasado un tiempo sobre el cobre aparece una capa sólida de color negro (óxido de cobre (II)), que indica la aparición de una nueva sustancia. El cobre ha reaccionado con el dioxígeno del aire y se ha formado el óxido de cobre (II), ya mencionado. El proceso anterior se puede representar de forma abreviada mediante la ecuación química siguiente: 2 Cu (s) + O2 (g) 2 CuO (s)

Sin embargo, la masa determinada para el recipiente cerrado con el cobre metálico y la masa determinada posteriormente para el mismo recipiente, a temperatura ambiente, con la nueva sustancia obtenida es igual. Experimentos similares al anterior han demostrado sin lugar a dudas la existencia de esta ley. Que las masas sean iguales antes y después de la reacción se debe a que la cantidad de átomos de cada elemento se mantiene constante durante el proceso y como ya aprendimos en el capítulo anterior, la masa de cada elemento, es una propiedad que lo caracteriza. El ajuste de la ecuación es la representación gráfica del cumplimiento de la Ley de Conservación de la Masa.

Tabla de propiedades de algunas sustancias.