guía para examen extraordinario química i programa de ... · asignatura de química i de acuerdo...
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Universidad Nacional Autónoma de México
Escuela Nacional Colegio de Ciencias y Humanidades
Plantel Sur
Ciencias Experimentales
Guía para examen extraordinario
Química I
Programa de Estudios 2016
Autores:
Jared Israel Bobadilla Montoya Pável Castillo Urueta
Magali Jazmin Estudillo Claveria Nadia Teresa Méndez Vargas
Coordinador:
Jared Israel Bobadilla Montoya
2020
Tabla de contenido
Introducción ....................................................................................................................... 1
Instrucciones ..................................................................................................................... 2
Unidad 1. Temas básicos .................................................................................................. 3
1.1 Materiales ................................................................................................................. 3
1.1.1 Sustancias puras (elemento y compuesto) y mezclas ........................................ 3
1.1.2 Mezclas: homogéneas y heterogéneas .............................................................. 8
1.2 Propiedades de los materiales: estados de agregación, puntos de ebullición y de
fusión ........................................................................................................................... 10
1.2.1 Gases .............................................................................................................. 13
1.2.2 Líquidos y sólidos ............................................................................................ 14
1.2.3 Cambios de estado .......................................................................................... 15
1.3 Teoría cinético-corpuscular .................................................................................... 17
1.3.1 Postulados (Difusión) ....................................................................................... 19
1.3.2 Concepto de átomo, molécula, ion. .................................................................. 19
1.3.3 Modelos atómicos (Dalton y Bohr) ................................................................... 21
1.4 Tabla Periódica .......................................................................................................... 24
1.4.1 Clasificación de elementos: metales, no metales y metaloides ........................ 29
1.4.2 Regla del octeto de Lewis ................................................................................ 34
1.4.3 Propiedades periódicas .................................................................................... 40
1.4.3.1 Energía de ionización ................................................................................ 42
1.4.3.2 Electronegatividad y tipos de enlace: iónico y covalente ........................... 49
1.4.3.3 Predicción de propiedades de sustancias .................................................. 54
Unidad 2. Agua ................................................................................................................ 67
2.1 Composición y estructura ....................................................................................... 67
2.1.1 Fórmula ........................................................................................................... 67
2.1.1.1 Modelo de Bohr y la molécula del agua ..................................................... 68
2.1.2 Interacciones intramoleculares (tipo de enlace) ............................................... 69
2.1.3 Interacciones intermoleculares (puente de hidrógeno) ..................................... 70
2.1.4 Reacciones de síntesis y descomposición del agua ......................................... 73
2.2 Disoluciones acuosas ............................................................................................. 80
2.2.1 Concepto de soluto y disolvente ...................................................................... 82
2.2.2 Concentración de disoluciones ........................................................................ 84
2.2.2.1 Masa-masa ............................................................................................... 85
2.2.2.2 Volumen-volumen ..................................................................................... 86
2.3 Contaminación del agua ......................................................................................... 87
2.3.1 Principales contaminantes ............................................................................... 88
2.3.2 Fuentes generadoras: industrial, urbana y agrícola .......................................... 90
2.3.3 Métodos de separación .................................................................................... 92
2.4 Importancia y aplicaciones del agua para la humanidad ......................................... 96
Unidad 3. Oxígeno ........................................................................................................... 98
3.1 Composición porcentual del aire ............................................................................ 98
3.1.1 Propiedades del nitrógeno ............................................................................... 99
3.1.1.1 Usos del nitrógeno................................................................................... 102
3.1.2 Propiedades del oxígeno (Ozono) .................................................................. 102
3.2 Reacciones del oxígeno ....................................................................................... 107
3.2.1 Reacciones de combustión (exotérmica) ....................................................... 107
3.2.2 Formación y reactividad de óxidos metálicos ................................................. 113
3.2.3 Formación y reactividad de óxidos no metálicos ............................................ 122
3.3 Clasificación de los compuestos en óxidos básicos, óxidos ácidos (anhídridos),
ácidos y bases ........................................................................................................... 126
3.4 Nomenclatura química .......................................................................................... 130
3.4.1. Nomenclatura de los óxidos metálicos e hidróxidos ...................................... 133
3.4.2 Nomenclatura de los óxidos no metálicos y oxácidos .................................... 136
3.5 Ciclos (oxígeno, nitrógeno y carbono) .................................................................. 145
3.5.1 Ciclo del oxígeno ........................................................................................... 145
3.5.2 Ciclo del nitrógeno ......................................................................................... 146
3.6 Contaminación del aire ......................................................................................... 150
3.6.1 Principales fuentes generadoras (industriales, urbanas y agrícolas) .............. 150
3.6.2 Clasificación de contaminantes ...................................................................... 150
3.6.3 Impacto ambiental: efecto invernadero, cambio climático y lluvia ácida ......... 151
Bibliografía consultada ................................................................................................... 154
1
Introducción
A continuación, presentamos la “Guía para examen extraordinario” para la
asignatura de Química I de acuerdo con el Programa de Estudios (PE) aprobado
en 2016.
Este material fue elaborado bajo la premisa de que muchos jóvenes optan por
aprobar la asignatura mediante esta forma alternativa de acreditación y, por lo
tanto, requieren de un material que les permita prepararse de manera formafxl y
autónoma, y cuyo contenido debe abordar cabalmente todos los aprendizajes
contemplados en el PE, pues de no hacerlo incumpliría con lo solicitado en el
Protocolo de Equivalencias y además dejaría en desventaja académica al
estudiante ante una prueba de esta naturaleza, pero cuya estructura y orden de
presentación de dichos aprendizajes no debe ser la misma que la de dicho
documento, pues éste fue diseñado para ser leído, revisado y aplicado por el
docente, no por el estudiante. Tampoco es éste un libro de texto, cuya función es
la de organizar el trabajo en el aula en torno a un conjunto de actividades xde
enseñanza-aprendizaje que son guiadas y supervisadas por el docente.
Esta guía, cuya principal propuesta “radical” estriba en la presentación de una
unidad adicional previa a las dos que conforman el programa, con la transposición
didáctica con la que los autores han desarrollado los temas, con la manera en la
que han sido construidas las actividades (fomentando en el estudiante un diálogo
interno en el que hace explícito lo que sabe y lo que desea saber), y con los
diferentes recursos, tanto impresos como digitales, que se le sugiere al estudiante
revisar para ampliar su formación académica, se espera que los aprendizajes
adquiridos (conceptuales, procedimentales y actitudinales) permanezcan mucho
después de que el estudiante haya acreditado la asignatura.
Cabe destacar que la introducción de esta primera unidad, que los autores hemos
nombrado como “Temas básicos” no es un capricho ni una ocurrencia, sino que es
reflejo de una propuesta didáctica que los autores hemos trabajado por más de
cuatro años y que creemos resultará en un incremento en los aprendizajes
alcanzados por los estudiantes que no han acreditado de manera ordinaria la
asignatura, resultado que se traducirá en un mayor índice de aprobación de
exámenes extraordinarios.
2
Instrucciones
Este material es un apoyo didáctico para que te prepares para presentar el
examen extraoridinario de Química I. Es una guía que consta de tres unidades,
por lo que debes organizar tu tiempo antes del examen para poder aprender,
comprender o afianzar lo que ya sabes.
Te sugerimos que vayas tomando nota de lo que consideres más importante;
conforme vas avanzando en su estudio, resuelve los ejercicios que te
proponemos. Si tienes alguna duda o requieres del acompañamiento de algún
profesor considera buscar el apoyo de un docente asesor en el edificiol IM, tercer
piso.
También te recomendamos que realices organizadores gráficos (mapas mentales,
conceptuales, cuadros comparativos, sinópticos, etcétera) con la información de
esta guía, videos o libros que consultes.
Al final de la guía encontrarás una propuesta de bibliografía que podrás utilizar
para afianzar lo que vas aprendiendo, también anexamos una Tabla Periódica la
cual vas a consultar muy a menudo.
3
Unidad 1. Temas básicos
En esta unidad encontrarás conceptos que consideramos pertinente abordarlos
antes de iniciar las unidades que oficialmente hay enel Programa de Química I.
Son concepto de anclaje que son necesario para que comprendas con mayor
facilidad otros conceptos que hemos identificado complejos de aprender según
nuestra experiencia.
Todos son conceptos que están en el Programa de Química I, solamente los
hemos ubicado en esta unidad.
Los conceptos clave son: mezcla, sustancia (compuesto y elemento), modelo,
estados de agregación, teoría cinético corpuscular, modelo de Dalton y Bohr,
Tabla Periódica y propiedades periódicas.
1.1 Materiales
1.1.1 Sustancias puras (elemento y compuesto) y mezclas
El universo material, es decir los cuerpos, objetos y seres con los que
interactuamos día con día, están formados en su totalidad por sustancias
químicas. En este caso, podemos dar una definición provisional de este concepto
y decir que una sustancia es una porción de materia que posee un conjunto
de propiedades físicas y químicas específicas, mismas que nos permiten
identificarla dentro de una mezcla, encontrarle usos para mejorar nuestra vida o
bien detectar si es nociva para nosotros o para el ambiente en el que vivimos.
A partir de minuciosos análisis realizados a lo largo de la historia de nuestra
civilización, en ocasiones por una sola persona y en otras por un conjunto de
individuos dedicados a los que ahora llamamos ciencia, se han podido identificar
dos tipos de sustancias: los elementosy loscompuestos. Al ser sustancias, estos
dos tipos de materia poseen propiedades físicas y químicas particulares a cada
uno; así, lo que diferencia a los elementos de los compuestos es que los
elementos son sustancias simples, es decir queno hay proceso químicoque
pueda separarlos en otra sustancia, mientras que un compuesto es una
sustancia que, al ser sometida a un proceso químico, mejor conocido
comoreacción química, se puede separar en sustancias más simples, es decir
que un compuestose puede separar mediante reacciones químicas en los
elementos que lo constituyen. Por ejemplo, en la atmósfera, además de otros
gases, encontramos al oxígeno, un elemento que necesitamos los seres vivos
para llevar a cabo la respiración. Cuando inhalamos aire, el oxígeno presente en él
4
entra en nuestro organismo y participa en varias reacciones químicas formando
diversos compuestos hasta que al final, cuando exhalamos, sale como parte del
dióxido de carbono, sustancia que sabemos que es un compuesto porque está
formada por dos elementos, el carbono y el oxígeno.
Otra diferencia entre estos dos tipos de sustancias (elementos y
compuestos) se basa en su composición: mientras que los elementos están
constituidos por sólo un tipo de átomos, los compuestos están constituidos por dos
o más átomos diferentes. En la figura 1.1, vemos un modelo que representa estas
diferencias.
Ahora bien, estos dos tipos de materia, los elementos y los compuestos, rara vez
se encuentran "puros" en la naturaleza, es decir que, por ejemplo, es difícil
encontrar muestras de agua o acumulaciones de oxígeno que no estén
combinados con otras sustancias, como la sal que encontramos en el agua del
mar o el nitrógeno y el dióxido de carbono que junto con el oxígeno están
presentes en el aire que respiramos. A estas combinaciones de sustancias las
llamamos mezclas. Podemos decir entonces que una mezcla es un material
formado por la combinación de dos o más sustancias. Lo anterior podemos
resumirlo de la siguiente forma (estableciendo así la primera diferencia entre un
compuesto y una mezcla):
● Un elemento es una sustancia que no puede descomponerse en otra más
simple
● Un compuesto es una sustancia que está formada por dos o más átomos
diferentes
5
● Una mezcla es un material formado por dos o más sustancias (elementos
o compuestos)
Aunque los enunciados anteriores nos dan una idea general de lo que es un
elemento, un compuesto y una mezcla es necesario ampliar la definición de estos
conceptos pues de su entendimiento dependerá que podamos comprender y
aplicar las ideas centrales de la química.
Ejercicio 1.1
Imagina que atrapas en tu casa
a un ratoncillo que quieres
mantener en cautiverio hasta
que puedas llevarlo a un
bosque para que sea libre. Para
tal fin, cuentas con dos
recipientes (figura 1.2)que
contienen las sustancias que se
mencionan a continuación:
Podemos decir que en el recipiente A hay una mezcla formada por carbón, que
es una de las formas en las que podemos encontrar al elemento carbono en la
naturaleza, y oxígeno gaseoso, que es un elemento que necesitamos para vivir.
Por otra parte, en el recipiente B hay un compuesto, el monóxido de carbono,
formado por los elementos carbono y oxígeno. Este compuesto es un gas a
temperatura ambiente (25°C) y representa un gran riesgo de intoxicación para la
población, sobre todo durante la temporada invernal en la que se produce por el
uso de estufas en mal estado. Así que, si en ambos recipientes hay carbono y
oxígeno ¿en cuál de ellos meterías al roedor? ¿Por qué?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
La respuesta a la pregunta anterior te debe llevar a reconocer la segunda
diferencia que existe entre los compuestos y las mezclas: en las mezclas, las
sustancias que las constituyen conservan sus propiedades (el oxígeno en el
recipiente B sigue disponible para que el ratoncito pueda vivir), mientras que, en
un compuesto, los elementos que los constituyen han perdido sus
propiedades para dar paso a otras nuevas.
6
Ejercicio 1.2
Escribe en los espacios correspondiente de la siguiente tabla las propiedades de
las sustancias que aparecen en el siguiente cuadro para que con dos casos
puedas entender mejor lo que se ha dicho hasta el momento.
Elemento A Elemento B Compuesto que forman
Hidrógeno Oxígeno Agua
Propiedades:
Propiedades: Propiedades:
Sodio Cloro Cloruro de sodio
Propiedades:
Propiedades: Propiedades:
Existe una tercera diferencia entre las mezclas y los compuestos, misma que tiene
que ver no sólo con el número de componentes presentes sino con la cantidad
que hay de cada uno de ellos.
Ejercicio 1.3
1.- Anota a continuación las propiedades de los compuestos que se te piden:
7
Agua:
Agua oxigenada (peróxido de hidrógeno):
2.- Observa los siguientes datos
3.- Responde: si ambos compuestos están constituidos por hidrógeno y oxígeno,
¿a qué se debe la diferencia entre sus propiedades?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
______________________________
La respuesta a la pregunta anterior te debe llevar a reconocer la tercera diferencia
que existe entre los compuestos y las mezclas: las propiedades de los
compuestos dependen no sólo del tipo de elementos de los que están
constituidos, sino de la cantidad que hay de cada uno, y esta cantidad no
puede variar, de lo contrario nos encontramos ante una sustancia con
características diferentes. Por otra parte, las mezclas tienen una composición
variable, es decir que puede haber distintas cantidades de las sustancias que las
componen sin que por ello deje de ser una mezcla. Por ejemplo, a un vaso de
agua podemos añadir la cantidad de azúcar que se nos antoje sin que por ello el
agua deje de ser agua o el azúcar deje de ser azúcar. Por supuesto que el sabor y
la apariencia del vaso van a variar, pero las características químicas del agua y del
azúcar permanecerán dentro de la mezcla.
8
Ejercicio 1.4
Con todo lo anterior, te pedimos que escribas una definición de lo que es un
elemento, un compuesto y una mezcla. Ello te será muy útil para abordar los
temas siguientes.
Elemento:__________________________________________________________
__________________________________________________________________
Compuesto:________________________________________________________
__________________________________________________________________
Mezcla:____________________________________________________________
__________________________________________________________________
1.1.2 Mezclas: homogéneas y heterogéneas
Para comenzar esta parte te pedimos observar algunos de los objetos que tienes a
tu alrededor y que hagas un listado de todos los materiales que están involucrados
en su fabricación. Cuanto más profundo sea tu análisis más enriquecedor será el
conocimiento que adquieras en esta parte y más sencillo será que le encuentres
aplicación. Por ejemplo, pensemos en un escritorio. Podríamos decir que está
hecho de madera y ya, a lo que sigue; sin embargo, hay bastantes materiales de
los que está constituido:
-Madera, efectivamente, es su componente principal (aunque hay de diferentes
tipos).
-Barniz, para protegerlo del ambiente. -Pintura, para darle un aspecto más agradable a la vista. -Acero, en las molduras, clavos o tornillos, para darle soporte y estructura. -Pegamento, para mantener unidas sus piezas.
Ejercicio 1.5
Escoge un objeto y completa el siguiente párrafo.El objeto que elegí
fue__________________ y los materiales de los que está hecho son
lossiguientes:
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
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Ya se ha mencionado con anterioridad que la mayoría de los materiales con los
que construimos los objetos que empleamos cotidianamente son mezclas de
elementos o compuestos. Seguramente habrás notado que los materiales que
identificaste en el objeto que elegiste tienen aspectos muy diferentes. Esto es
porque existen dos tipos de mezclas: las mezclas homogéneas y las mezclas
heterogéneas.
Ejercicio 1.6
1.Busca en un diccionario la definición de las palabras homogéneo y heterogéneo.
Homogéneo:_______________________________________________________
Heterogéneo:______________________________________________________
2. Con base en la información anterior completa los enunciados siguientes:
a) A la mezcla en la que sólo se puede apreciar una fase, es decir que tiene un
aspecto uniforme, se le llama mezcla ___________________.
b) A la mezcla en la que se pueden distinguir dos o más de sus componentes, es
decir que tiene dos o más fases se le llama mezcla ___________________.
Ahora que ya tenemos una definición de lo que es una mezcla homogénea y una
mezcla heterogénea cabría preguntarnos ¿por qué existen dos tipos de mezclas?,
es decir, ¿qué propiedades poseen las sustancias que constituyen a este tipo de
materiales de tal forma que a veces forman una sola fase y en otras los
componentes se mantienen separados y pueden inclusive verse a simple vista?
Una respuesta provisional a esta pregunta es que para que dos sustancias
puedan formar una mezcla homogénea deben tener alguna propiedad similar
que les permita asociarse y formar una sola fase (al menos ante nuestros ojos).
Por ejemplo, el oro, la plata y el cobre, tres elementos metálicos forman un tipo de
mezcla homogénea que recibe el nombre de aleación. El bronce es otra aleación
formada en este caso por los elementos metálicos cobre y estaño. ¡Cuidado! Estos
dos ejemplos son muy particulares, no hay que pensar que todos los metales
pueden combinarse entre sí pues el que se puedan formar aleaciones depende de
muchos factores, no es suficiente con que sean elementos metálicos.
Otro ejemplo, de mezclas homogéneas son aquellas que se forman cuando
tenemos agua como uno de los componentes y la otra sustancia es soluble en
ella; a estas mezclas homogéneas las llamamos disoluciones. Decir que una
sustancia es soluble en otra implica que existe una interacción entre ellas de
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forma que al mezclarse forman una sola fase. Más adelante, cuando estudies el
apartado "2.2 Disoluciones acuosas", verás en qué consisten dichas interacciones,
por ahora es momento de que pongas en práctica lo visto hasta el momento.
Ejercicio 1.7
Relaciona los ejemplos con los tipos de mezclas que correspondan.
Aire, bronce, madera, vinagre, cerveza, concreto, vino, pintura, leche.
Mezclas homogéneas Disoluciones Mezclas heterogéneas
Actividad en línea
Para consolidar lo que has aprendido en este bloque te sugerimos visitar la
siguiente liga sobre clasificación de la materia y resolver las actividades que ahí se
presentan.
Clasificación de la materia disponible en:
http://objetos.unam.mx/quimica/sustanciasPuras/index.html
1.2 Propiedades de los materiales: estados de agregación, puntos
de ebullición y de fusión
Hasta el momento te habrás percatado que una forma de clasificar y describir los
materiales es por su composición ya que se clasifican en elemento, compuesto o
mezcla, ahora veremos otro método de clasificar estos materiales y es por su
estado físico o estado de agregación de la materia las tres formas en que se
encuentran los materiales puede ser un gas, un líquido o un sólido.
Ejercicio 1.8
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Ahora te pedimos que clasifiques cada una de las siguientes sustancias con su
estado de agregación gas, líquido o sólido
Aire, bronce, madera, vinagre, cerveza, concreto, vino, pintura, oxígeno,
leche,dióxido de carbono, mercurio, alcohol, helio y bicarbonato de sodio.
Sólido Líquido Gas
Ya que clasificaste los materiales por su estado de agregación te pedimos que
reflexiones sobre las propiedades que consideraste para clasificar los materiales
como sólido, líquido o gas
Las propiedades que consideré para los sólidos son:
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
Las propiedades que consideré para los líquidos son:
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
Las propiedades que consideré para los gases son:
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
Te habrás percatado que los estados de agregación difieren en algunas de sus
propiedades observables. Un gas no tiene volumen ni forma fijos; más bien, se
ajusta al volumen y la forma de su recipiente. Podemos comprimir un gas de modo
que ocupe un volumen más pequeño, o expandirlo para ocupar uno mayor. Un
líquido tiene un volumen definido independiente de su recipiente, pero no tiene
una forma específica; toma la forma de la porción del recipiente que ocupa. Un
sólido tiene forma y volumen definidos; es rígido y ni los líquidos ni los sólidos
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pueden comprimirse de forma apreciable.
Pero las propiedades de los estados de agregación también pueden entenderse
en el nivel molecular (figura 1.3). En este sentido y de acuerdo con la Teoría
cinético- corpuscular, la materia está formada por unas partículas muy pequeñas
invisibles a nuestros ojos. Estas partículas se encuentran en continuo movimiento
y entre ellas existen interacciones atractivas y repulsivas. Las partículas, al estar
en movimiento, se encuentran a una cierta distancia unas de otras por lo que entre
ellas hay espacio vacío. Cuando aumenta la energía del sistema y por tanto la
temperatura, las partículas se mueven más rápido.
Por estas razones, en un gas, las moléculas se encuentran muy separadas y se
mueven a alta velocidad chocando repetidamente entre sí y con las paredes del
recipiente. En un líquido las moléculas están empacadas más cerca unas de otras,
pero aún se mueven rápidamente, y pueden deslizarse unas sobre otras; por ello
los líquidos fluyen fácilmente. En un sólido las moléculas están firmemente sujetas
unas a otras, por lo regular en patrones definidos dentro de los que las moléculas
apenas pueden moverse un poco en sus posiciones, por lo demás fijas. Por ello,
los sólidos tienen forma rígida.
En la figura 1.3, te presentamos tresmodelosque muestran que las moléculas en
el sólido están dispuestas en una forma más ordenada que en el líquido. Las
moléculas en el gas están mucho más separadas que en el líquido o en el sólido.
Ahora conocerás más acerca de las características de cada uno de los estados de
agregación vamos a comenzar por los gases
13
1.2.1 Gases
Las sustancias que son líquidos o sólidos en condiciones ordinarias de presión y
temperatura (1 atmósfera y 25°C) también pueden existir en el estado gaseoso, en
el que en muchas veces se les llama vapores. La sustancia agua (H2O), por
ejemplo, puede existir como agua líquida, hielo sólido o vapor de agua.
Los gases difieren significativamente de los sólidos y los líquidos. Por ejemplo, un
gas se expande espontáneamente1 hasta llenar su recipiente. En consecuencia,
el volumen de un gas es el volumen del recipiente en el que se guarda. Los gases
también son compresibles: cuando se aplica presión a un gas, su volumen
disminuye fácilmente. En cambio, los líquidos y los sólidos no se expanden para
llenar sus recipientes, y tampoco son fácilmente compresibles.
Los gases forman mezclas homogéneas unos con otros sin importar la
identidad ni las proporciones relativas de los gases componentes. Por ejemplo,
cuando vertimos agua y gasolina en una botella, el vapor de agua y los vapores de
la gasolina forman una mezcla homogénea de gases. Los dos líquidos, en cambio,
no se mezclan; permanecen como capas separadas.
Recordarás que las moléculas individuales de los gases se encuentran
relativamente alejadas unas de otras y debido a éstas los gases adquieren sus
propiedades características. Por ejemplo, en el aire que respiramos las moléculas
ocupan cerca del 0.1% del volumen total; el resto es espacio vacío. Así, cada
molécula se comporta en gran medida como si las otras no estuvieran presentes.
Por consiguiente, los diferentes gases se comportan de forma similar, aunque se
componen de moléculas distintas.
Ahora que sabes más sobre los gases reflexiona, si tienes dos recipientes en uno
de ellos se encuentra un líquido y en el otro un gas ¿Cómo se comportan si cada
uno se pasa a un recipiente más grande? ________________________________
__________________________________________________________________
¿Por
qué?______________________________________________________________
____
1 Que se produce aparentemente sin causa
14
1.2.2 Líquidos y sólidos
Anteriormente aprendiste que los gases se pueden expandir para llenar el
recipiente que los contiene, son compresibles y sus moléculas se encuentran
separadas por grandes distancias y en constante movimiento.
En los líquidos las moléculas se encuentran más juntas que en los gases. Así, los
líquidos son mucho más densos y mucho menos compresibles que los gases. A
diferencia de los gases, los líquidos tienen un volumen definido, independiente del
tamaño y la forma de su recipiente. Sin embargo, las fuerzas de atracción en los
líquidos no tienen la intensidad suficiente para evitar que las moléculas se muevan
unas respecto a otras. Por ello, los líquidos pueden vertirse, y asumen la forma de
su recipiente.
En los sólidos las fuerzas de atracción intermoleculares son lo bastante intensas
no sólo para mantener muy juntas las moléculas, sino para fijarlas prácticamente
en su sitio. Los sólidos, al igual que los líquidos, no son muy compresibles, porque
las moléculas no tienen mucho espacio libre entre ellas. Debido a que las
partículas de un sólido se encuentran muy juntas y con poco movimiento, los
sólidos son rígidos.
Ejercicio 1.9
Ya que conocimos más acerca de los estados de agregación ahora te pedimos
que realices un cuadro comparativo con algunas propiedades características de
cada uno de ellos, así como su representación corpuscular
Estado de
agregación
Propiedades características
de los estados de
agregación de la materia
Representación
corpuscular
Gas
Líquido
15
Sólido
1.2.3 Cambios de estado
Ejercicio 1.10
Para comenzar este apartado te pedimos que coloques una pequeña cantidad de
agua en un plato y otra porción equivalente de alcohol en otro. Somete ambos al
calentamiento solar durante 5 minutos, observa lo que sucede con ambos líquidos
(es necesario que las cantidades de alcohol y agua sean iguales).
¿Qué ocurrió con los líquidos de los platos?
________________________________ ¿Cual se evapora más rápidamente?
_____________________________________ Propón alguna razón para explicar
lo anterior _______________________________
__________________________________________________________________
Como te habrás percatado los dos líquidos presentaron un cambio de estado
llamado evaporación, ya que pasaron de un estado líquido a gas, pasar de sólido
a líquido o líquido a gas requiere suministrar energía para romper las atracciones
que mantienen en su posición a las moléculas del sólido o cercanas a las del
líquido.
La condensación es lo opuesto a la evaporación, para que se realice la
evaporación se requiere energía para separar las moléculas de las fuerzas
intermoleculares de atracción que las mantiene unidas.
En el ejercicio 10 ¿cuál fue la energía que suministraste?
_____________________ ¿En cuál de los dos líquidos fue necesario suministrar
menos energía?__________ _______________ ¿por qué?
__________________________________________________________________
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Ejercicio 1.11
Busca la definición de punto de fusión y punto de ebullición.
el punto de fusión es: _____________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
el punto de ebullición es:
__________________________________________________________________
Para una sustancia pura una propiedad física muy relacionada con el estado físico
de una sustancia es la temperatura a la cual cambia de uno a otro estado. Como
anotaste el punto de fusión (p. f) y el punto de ebullición (p. eb.) son las
temperaturas a los que ocurre el cambio de sólido a líquido y de líquido a sólido,
respectivamente. Por ejemplo, el agua se congela (y se funde) a 0°C. La sal
(NaCl) se funde (y se congela) a una temperatura mucho mayor, 804°C, mientras
que el oxígeno (O2) se congela (y se funde) a temperatura mucho menor, -218°C.
El punto de fusión y el punto de congelación de una sustancia se encuentran a la
misma temperatura. El empleo de la palabra congelación o fusión depende de
cómo encontremos habitualmente a la sustancia. El agua hierve a 100°C, pero
también se condensa de gas a líquido a la misma temperatura. Por consiguiente,
el punto de ebullición y el de condensación de cada sustancia están a la misma
temperatura.
Ejercicio 1.12
1. Indaga los cambios de estado que ocurren al pasar de un estado de agregación
a otro.
2. Investiga cómo se representan los tres estados de agregación del agua.
Actividad en línea
Para consolidar lo que has aprendido en este bloque te sugerimos visitar la
siguiente liga y revisar cómo afecta la temperatura en los cambios de estado.
Estados de la materia disponible en: https://phet.colorado.edu/sims/html/states-of-
matter-basics/latest/states-of-matter-basics_es.html
17
1.3 Teoría cinético-corpuscular
Como te habrás percatado hasta el momento los diversos materiales que te
rodean tienen diferentes características que nos permiten clasificarlos en
elementos, compuestos o mezclas sin embargo alguna vez has pensado ¿por qué
te enfrias cuando sales mojado de la alberca? ¿Y por qué se enfría la sopa
cuando le soplamos? ¿Cómo llega el olor de un perfume al olfato? Para explicar
estas preguntas y algunas otras es necesario conocer más acerca de la estructura
de la materia y adentrarnos al universo de las partículas que la constituyen.
En 1827; Robert Brown, botánico escocés, estudiaba muestras de agua con un
microscopio. Observó que los granos de polen suspendidos en el agua se movían
continuamente, en direcciones irregulares. Brown repitió sus observaciones
usando partículas de un colorante en agua y observó que también tenían un
movimiento aleatorio. Este movimiento constante y aleatorio de minúsculas
partículas se llama movimiento browniano, en honor a Robert Brown. Ahora
conviene hacernos dos preguntas, ¿Sólo las moléculas de agua muestran un
movimiento aleatorio? ¿Toda la materia está en movimiento? La teoría cinética
establece que las partículas submiscrocópicas de toda la materia están en
movimiento constante y aleatorio. La energía de los objetos en movimiento se
llama energía cinética.
Ejercicio 1.13
1. Sobre una mesa hay un alambre de cobre grueso, un vaso que contiene agua y
un frasco cerrado que contiene un gas, por ejemplo, oxígeno. Si dispusieras de un
medio que te permitiera ver las partículas que forman estas sustancias ¿que
observarías en cada caso? realiza un modelo de partículas de esta observación.
Alambre de cobre Agua oxígeno
18
Puedes apoyarte en el simulador de estados de la materia disponible en:
https://phet.colorado.edu/sims/html/states-of-matter-basics/latest/states-of-matter-
basics_es.html
2. En un cuerpo sólido en reposo: ¿cómo crees que estarán las partículas que
forman el sólido?:
a) En estado de reposo
b) En vibración permanente
c) Sólo se moverán si se mueve el recipiente
d) Sólo se moverán si se cambia su temperatura
Observa y analiza las siguientes figuras y escribe tus observaciones:
a. Las sustancias que se encuentran dentro de los recipientes ¿tienen el
mismo estado de agregación?
b. ¿Qué observación te permite fundamentar tu respuesta?
c. ¿En cuál de los dos recipientes las partículas tienen una mayor energía
cinética? Justifica tu respuesta
d. ¿Qué sucedería si los recipientes no estuvieran tapados?
Observaciones
Recipiente A Recipiente B
19
1.3.1 Postulados (Difusión)
Difusión
A menudo, el espacio en que fluye un gas ya está ocupado por otro gas, pero el
movimiento aleatorio de las partículas permite que uno y otro se mezclen hasta
quedar equitativamente distribuidos. El proceso mediante el cual las partículas de
materia se mezclan de manera gradual con partículas de otro material, debido a
sus propiedades cinéticas se le conoce como difusión, el cual constituye una
demostración del movimiento aleatorio de las partículas. El término puede ser
nuevo para ti, pero probablemente ya estés familiarizado con el proceso, por
ejemplo, si has visto un colorante, como los colorantes de alimentos, cuando se
extienden a través de un líquido has observado un fenómeno de difusión. Tu
sentido del olfato depende de la difusión y de las corrientes de aire, para que
detectes las moléculas de un gas que llega hacia tu nariz.
Algo que debes recordar es que la difusión siempre procede de una región de
mayor concentración a otra menos concentrada, A pesar de que la rapidez de las
moléculas es muy grande, el proceso de difusión toma un tiempo relativamente
grande para completarse.
Ejercicio 1.14
Seguramente has notado que cuando abres un frasco de perfume puedes percibir
el aroma rápidamente ¿Cómo explicarías que puedes percibir el aroma?
1.3.2 Concepto de átomo, molécula, ion.
La teoría corpuscular expone como su primera premisa que todos los materiales
estan formados por partículas, para los químicos, las partículas que nos interesan
son muy pequeñas, están en el orden de los nanómetros; en esta sección
presentaremos las que más estudiamos:
Átomo, es una partícula conformada por un núcleo en el que se encuentran otras
patículas más pequeñas: los protones que tienen carga positiva y los
neutrones que carecen de carga; la cantidad de protones será igual al número
atómico. Alrededor del núcleo se encuentran los electrones que tienen carga
negativa. En su conjunto, el átomo es una partícula neutra pues tiene la misma
cantidad de cargas positivas que negativas. En la naturaleza sólo los gases nobles
20
se encuentran como átomos, el resto de los elementos químicos se encuentran
formando agregados de dos o hasta de trillones de átomos unidos por enlaces
fuertes.
Molécula, es un conjunto relativamente pequeño de átomos unidos entre sí sobre
todo por enlaces covalentes; el grafito y diamante son la excepción, pues forman
redes cristalinas y no moléculas. Hay sustancias elementales ycompuestasque
se clasifican en moléculas, dependerá de cómo sean los átomos que las
conforman, por ejemplo,átomos diferentes (NO2) o iguales (H2, S8).
A continuación, en la figura 1.4 te presentamos los modelos de Dalton de diversos
compuestos y elementos moleculares y el neón que no es una molécula, sino un
átomo.
Ion, en ocasiones los átomos pueden ganar o perder uno o más electrones de
valencia para formar iones. Debido a que los electrones tienen carga negativa los
21
átomos que ganan o pierden electrones adquieren una carga. Por lo que un ion es
unapartículaconcarga.
Cuando los átomos pierden electrones de valencia forman iones cargados
positivamente por otro lado, si los átomos ganan electrones de valencia se
forman iones de carga negativa.
Actividad en línea
Para consolidar lo que has aprendido en este apartado te sugerimos visitar la
siguiente
ligahttps://e1.portalacademico.cch.unam.mx/alumno/quimica1/unidad1/agua-
compuesto-o-elemento/conceptos-basicos, en ella encontrarás ejemplos.
1.3.3 Modelos atómicos (Dalton y Bohr)
Aunque el concepto de átomo se revisó en el siglo XVIII, pasaron otros cien años
antes de que se logrará un progreso significativo. El trabajo realizado en el siglo
XIX por John Dalton (1766 - 1844), como maestro de escuela en Inglaterra,
marca el inicio del desarrollo de la teoría atómica moderna. Dalton recibió y revisó
las ideas de Demócrito con base en los resultados de la investigación científica
realizada. Los puntos principales de la teoría atómica de Dalton se presentan a
continuación:
● Toda materia se compone de partículas extremadamente pequeñas
llamadas átomos.
● Todos los átomos de un elemento dado son idénticos y tienen el mismo
tamaño, la misma masa y las mismas propiedades químicas. Los átomos
de un elemento específico son diferentes de los de otro elemento.
● Los átomos no pueden crearse, dividirse en partículas más pequeñas ni
destruirse.
● Diferentes átomos se combinan en relaciones simples de números enteros
para formar compuestos.
● En una reacción química, los átomos se separan, se combinan o se
reordenan.
La teoría atómica de Dalton explica la conservación de la masa cuando se forma
un compuesto a partir de los elementos que lo componen.MoConsiderando los
postulados de Dalton podemos realizar las representaciones (modelos) de átomos
o compuestos.
22
En la figura 1.5 se están
representando dos
elementos diferentes, pero
¿Cómo sabemos que estos
modelos representan
elementos diferentes? En la
representación del elemento
de la izquierda notaremos
que la representación
muestra átomos idénticos y del mismo tamaño.
Si comparamos el modelo de la izquierda con el de la derecha observaremos que
la representación de los átomos difiere en tamaño y distribución por lo que
podemos suponer que se trata de diferentes elementos.
A continuación, en la figura 1.6, se muestra la representación de un compuesto
con el modelo de Dalton. Si observas
la representación de la derecha
notaras que se tienen un compuesto
formado por los elementos A y B, los
elementos A y B difieren en el tamaño,
podemos decir que el compuesto que
se representa en el modelo de Dalton
está constituido por un átomo de A y
dos átomos de B.
Ejercicio 1.15
Realiza la representación de Dalton de las siguientes sustancias
N2
H2O
C
23
HClO
Na
Cl2
Actualmente sabemos que los átomos no son partículas indivisibles ni inalterables,
por lo que el modelo de Dalton no puede explicar muchas propiedades de los
elementos, su modelo fue sustituido por el modelo atómico de Thomson al
descubrir que los átomos no son indivisibles, sino que están formados por
partículas de carga positiva y otras de carga negativa.
Modelo de Bohr
El modelo atómico de Bohr considera que:
1. Los electrones describen órbitas
circulares estables alrededor del núcleo del
átomo sin radiar energía.
2. Los electrones sólo se pueden encontrar
en ciertas órbitas (no todas las órbitas están
permitidas). La distancia de la órbita al núcleo se
determina según el número cuántico “n” (n=1,
n=2, n=3...).
3. Los electrones solo emiten o absorben
energía en los saltos entre órbitas. En dichos
saltos se emite o absorbe un fotón.
El modelo más común de este personaje te lo
presentamos en la figura 1.7, como recordarás
en el centro de las circunferencias se coloca el
núcleo, en cada circulo se colocan los números
que indican la cantidad de electrones permitidos
en cada caso, pueden ser menos, pero no
pueden ser más.
24
Con este modelo podemos
representar átomos, pero
también moléculas como las que
verás en la figura 1.8.
El átomo de oxígeno tiene 8
protones, por tanto 8 electrones
que se deben acomodar en dos
circulos dado que en la Tabla
Periódica se encuentra en el
sedundo periodo, cómo en el
circulo más cercano al núcleo sólo caben dos electrones, entonces los otros seis
se colocan en el siguiente. En la naturaleza el oxígeno no se encuentra en forma
de átomo, sino formando una molécula, es decir unido a él mismo como se
observa en el modelo de la derecha. En la molécula de la derecha observa que en
la intersección de ambos circulos hay 4 electrones, es decir forma un doble enlace
entre los dos núcleos, esto es porque de acuerdo a la regla del octeto, de esa
forma los dos átomos logran la estabilidad, cuenta para cada oxígeno y verás que
ambos tienen 8 electrones en su último nivel.
Actividad en línea
Para consolidar lo aprendido puedes revisar el juego memoria de los elementos en
el que podrás relacionar el modelo de Bohr con el elemento que corresponda.
1. Memoria elementos disponible en: http://www.educaplus.org/game/memoria-
elementos
2. También puedes construir un átomo utilizando el modelo de Bohr en el
simulador disponible en: https://phet.colorado.edu/sims/html/build-an-
atom/latest/build-an-atom_es.html
1.4 Tabla Periódica
El humano siempre ha tratado de organizar todo lo que se encuentra a su
alrededor, en la ciencia este procedimiento es básico para poder determinar
patrones de comportamiento. Los químicos no son la excepción, desde hace
varios cientos de años comenzaron a organizar y catalogar los materiales con los
que trabajaban, de esta forma se llegó a lo que hoy conocemos como la Tabla
25
Periódicamoderna, la cual es un ordenamiento sistemático de loselementos
químicos que ofrece valiosa información sobre las propiedades de los elementos
y su estructura electrónica.
En la Tabla Periódica moderna se muestran los símbolos de 118 elementos
químicos conocidos hasta el momento, de este total 89 son naturales (es decir,
todo lo que existe en el universo está formado con ellos), el resto se han obtenido
mediante reacciones nucleares. También, en la Tabla Periódica se logra observar
gráficamente la periodicidad de las propiedades de los elementos al estar
dispuestos en orden creciente de número atómico (número de protones
presentes en el núcleo del átomo). La disposición de los elementos se realiza en
filas, llamadas períodos,recurrentes en orden creciente de sus números
atómicos. Los elementos que se hallan en una misma columna vertical, llamada
grupo, tienen propiedades comunes. En la figura 1.9 la dirección de la flecha
indica si se trata de grupo o de periodo.
Por otra parte, desde su publicación hace poco más de 150 años, la Tabla
Periódica ha sido la guía para el descubrimiento de nuevos elementos. Los
químicos tomaron muchas veces caminos incorrectos y en otras ocasiones rutas
difíciles. Sin embargo, la Tabla Periódica moderna es el resultado histórico de
numerosas propuestas realizadas por los científicos y químicos de diferentes
países.
Fue necesario el transcurso de muchos siglos para lograr comprender el concepto
de elemento químico, Robert Boyle (1661), introdujo el concepto de elemento,
en el que afirmaba que se trataba de una sustancia simple conformada por
átomos similares y que no se puede descomponer en otra sencilla. Más de un
siglo más tarde, Antonie Lavoisier (1789), incluyó una tabla con 33 materiales
(hoy sabemos que no todos eran elementos, había incluido compuestos) y
26
propuso un primer sistema para nombrarlos.
Así, el conocimiento avanzó y otros químicos observaron diversos patrones de
comportamiento entre los elementos entonces conocidos. Este hecho los llevó a
proponer sistemas de ordenamiento. El alemán Johan W. Döbereiner (1829)
propuso su famosa triada, el francés Alexandre E. Béguyer de Chancourtois
(1862) su hélice telúricay el inglés John A. R. Newlands (1864) su Ley de las
octavas. Aunque menos conocido, también químicos americanos del siglo XIX
propusieron varias formas de clasificación periódica, estos incluyen a Oliver W.
Gibbs (1945) y Josiah P. Cooke, Jr. (1854).
En 1870, el químico Lothar Mayer de manera independiente publicó un arreglo
similar al que DmitriMendeleev y NikolaiMenshutkinpublicaron en 1869. Ellos
postulaban que los elementos químicos mostraban una periodicidad en sus
propiedades químicas y físicas cuando se arreglaban en orden de sus pesos
atómicos.
El reconocimiento de la Tabla Periódica fue para Mendeleev,el tuvo la visión de
que su método de clasificación constituía una ley fundamental de la naturaleza.
El químico ruso argumentó que en su Tabla Periódica aparecían deficiencias
probablemente derivadas de errores en la medición de los pesos atómicos o
simplemente del hecho de que ciertos elementos no se habían descubierto.
Mendeleev sabía que su sistema periódico no sería completamente aceptado
hasta que los elementos faltantes fueran descubiertos y sus predicciones sobre
sus propiedades se corroboraron con evidencia experimental años más tarde.
La tabla periódica es tan importante para la ciencia y en especial para la química
que John Emsley dijo:
“Mientras la Química sea estudiada existirá una Tabla
Periódica. Y si algún día nos comunicamos con otra parte
del universo, podemos estar seguros de que la única cosa
que ambas culturas podrán tener en común es un sistema
ordenado de los elementos; que podrá ser reconocido
instantáneamente por ambas formas de vida inteligente”
Actividad en línea
Para que conozcas más sobre la organización de los elementos en la tabla
periódica te invitamos a que revises el siguiente video
27
https://www.youtube.com/watch?v=5DLcKG3ZOUc
Ejercicio 1.16.
Hagamos un ejercicio que te permita comprender cómo los científicos realizan
observaciones detalladas que les permiten clasificar y encontrar patrones y
propiedades compartidas entre los objetos de estudio.
Imagina que tienes una caja en donde has ido coleccionando objetos desde que
eras pequeño (en ella tienes monedas de diferente valor y nacionalidad, tarjetas
de tus superhéroes y jugadores de fútbol favoritos, canicas de diferentes tamaños,
colores y motivos), pero están todas mezcladas y ahora quieres ordenarlas.
¿Cuáles serían las características generales que tomarías en cuenta para realizar
una primera clasificación y cómo clasificarías tus objetos?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
De forma similar a lo que tú has hecho, los químicos observaron características
generales que les permitieron hacer las primeras propuestas de clasificación de
los elementos. Después, realizaron observaciones más detalladas que les
permitieron refinar sus propuestas de clasificación y encontrar otros órdenes de
clasificación.
Ahora investiga cuáles fueron las características o propiedades de los elementos
que observaron Döbereiner y Newlands para que pudieran enunciar las triadas y la
Ley de las octavas respectivamente.
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
Continuemos ordenando tu caja de recuerdos. Ya tienes ordenados tus objetos y
seguramente los agrupaste por tipo de objeto, es decir monedas, tarjetas y
canicas. Todavía puedes organizar mejor tus objetos, busca patrones dentro de
cada grupo que te lleven a un mayor orden. Por ejemplo, en las monedas pueden
ser la nacionalidad, el valor, o el año de edición; en las tarjetas, superhéroes y
futbolistas, empresa o equipo, nacionales o internacionales; en las canicas, los
28
diseños, colores y tamaños.
En el siguiente cuadro describe tu propuesta final de clasificación
Investiga cuáles fueron las propiedades o características que Mendeleev
consideró y que le permitieron proponer un sistema de clasificación de los
elementos que superó a las triadas y a La ley de las octavas de Döbereiner y
Newlands.
Como te habrás dado cuenta, el conocer las propiedades generales y
particulares de los objetos dentro de un sistema de ordenamiento y
clasificación como el de tu caja imaginaria o los elementos en la Tabla
Periódica te permitirán hacer predicciones o inferencias sobre tus objetos o
29
sobre los elementos químicos según sea el caso. Investiga e indica cuales son las
predicciones que pudieron hacer con base en propuesta de Tabla y Ley periódica
de Mendeleev.
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
Ejercicio 1.17
De la lectura que ya realizaste en este apartado (Tabla Periódica) recupera los
conceptos abordados, con ellos elabora un mapa conceptual.
1.4.1 Clasificación de elementos: metales, no metales y
metaloides
Como ya se ha mencionado, la Tabla Periódica moderna está ordenada de
acuerdo con el número atómico, el cual aumenta una unidad conforme se avanza
en un periodo. Cada periodo inicia (excepto el primero) con un metal y termina con
un gas noble. En la figura 1.10 se presenta una clasificación en la Tabla Periódica
de metales, no metales y metaloides. Como puedes observar abundan los
elementos metálicos y existe una división muy evidente entre éstos y los no
metales los cuales se localizan en la derecha. Entre los metales y los no metales,
se localizan los elementos conocidos como metaloides.
30
Ejercicio 1.18
Ahora te pedimos que con una Tabla Periódica en mano completes el siguiente
cuadro con la finalidad de que en un primer acercamiento te vayas familiarizando
con ella.
Elemento Símbolo Número
atómico
Grupo o
familia al
que
pertenece
metal/no
metal/
metaloide
Cromo
Bromo
Antimonio
Paladio
Después de haber realizado este primer acercamiento a la Tabla Periódica, te
solicitamos que contestes las siguientes preguntas.
31
Recuerda tener siempre a la mano tu Tabla Periódica.
1. Los elementos cuyos símbolos son: I, Rn, Se, Ar, P se clasifican como:
A) metales.
B) no metales.
C) metaloides.
D) metales de transición
2. ¿En qué familias hay sólo metales?
A) 2 y 12
B) 1 y 14
C) 2 y 13
D) 1 y 16
3. ¿En qué familia se encuentra un sólo metaloide?
A) 13
B) 14
C) 15
D) 16
4. Los elementos se organizan en la Tabla Periódica en orden:
A) creciente de la masa atómica
B) creciente del número atómico
C) decreciente de la masa atómica
D) decreciente del número atómico
La clasificación de los elementos en la Tabla Periódica entre metales, no metales
y metaloides se fundamenta en las propiedades que tiene cada grupo, de esta
manera enunciamos algunas de éstas.
Metales
En la Tabla Periódica, los metales se ubican en la parte izquierda y se pueden
clasificar en metales representativos y metales de transición; los representativos
que se encuentran en los grupos 1, 2 y 13 (excepto el boro), así como en la parte
de abajo de los grupos 14, 15 y 16; los de transición se localizan en los grupos del
3 al 12. Son sustancias elementales que poseen brillo, conducen el calor y la
electricidad, son dúctiles y maleables. Con excepción del mercurio y el galio, son
32
sólidos a temperatura ambiente, es decir, la mayoría posee temperaturas de fusión
muy altas.
No metales
Los no metales se ubican del lado derecho de la Tabla Periódica, aparecen a partir
del grupo 14 como se muestra en la figura 1.10. Aunque en la Tabla Periódica
abundan los metales, en la naturaleza abundan más los no metales, por ejemplo,
el oxígeno y el nitrógeno que son sustancias elementales no metálicas constituyen
el 99 % de la atmósfera en la Tierra. El carbono, otro no metal, abunda en millones
de compuestos.
Los no metales se encuentran en una amplia variedad respecto a sus estados de
agregación, algunos son sólidos, otros líquidos y algunos más, gases. La mayoría
de ellos no son considerados como buenos conductores del calor y la electricidad,
a excepción del carbono en forma de grafito. La mayoría en estado sólido son
frágiles y carecen del brillo metálico característico de los metales. La mayoría
posee temperaturas de fusión menores a las de los metales.
El diamante es un no metal cuyas propiedades son las siguientes: es el sólido
con mayor dureza, no es un buen conductor del calor y la electricidad, su
temperatura de fusión es de 3,550 ० C
Metaloides
También llamados semimetales y se encuentran en la frontera entre metales y no
metales; debido a ello sus propiedades son una mezcla de ambos grupos. Una de
las que más destaca es su comportamiento de semiconductores.
Un semiconductor es un elemento que no conduce la electricidad
tan bien como un metal, pero lo hace algo mejor que un no metal.
El silicio es el metaloide que hizo posible la revolución de las
computadoras, dadas sus propiedades de semiconductor.
Ejercicios 1.19
1. Elabora un cuadro comparativo de las propiedades entre metales, no metales y
metaloides:
33
Puedes consultar la siguiente dirección web:
http://depa.fquim.unam.mx/QI/contenido/per12.htm
Propiedad Metales Metaloides No metales
2. Con base en las siguientes propiedades clasifica a la sustancia como metálica,
no metálica o un metaloide
a. Sólido, con un punto de fusión de 1,064 °C, insoluble en agua, conduce la
electricidad en estado líquido y en estado sólido. ________________
c. Conduce la electricidad en estado líquido y también en sólido, su temperatura
de fusión es de -37,83 °C, posee un brillo característico. _________________
d. Es un gas a temperatura ambiente, su temperatura de fusión es de -183 °C, no
conducen la electricidad en ninguno de sus tres estados de agregación.
_______________
e. Es un sólido a temperatura ambiente, de color gris azulado, punto de fusión de
1,414 °C, se localiza en la familia 14. _______________________
En la siguiente liga puedes encontrar información
complementaria a los temas revisados sobre tabla periódica y
clasificación de elementos:
http://depa.fquim.unam.mx/QI/contenido/per5.htm
34
1.4.2 Regla del octeto de Lewis
En este momento ya has revisado algunos conceptos fundamentales como son
elemento, compuesto y mezcla. También ya has ubicado a los elementos dentro
de la Tabla Periódica, conoces algunas de sus propiedades y revisaste dos
modelos para representar los átomos de los elementos, el de Dalton y el de Bohr.
Ahora, revisarás un nuevo modelo, el de Lewis, que consiste en
utilizar puntos que representan a los electrones de valencia de un
determinado átomo, es decir los electrones más externos o de la
última órbita. Los electrones de valencia rodean al símbolo del
elemento cuyo objetivo es representar al núcleo y al resto de electrones internos
que conforman a ese átomo.
Por ejemplo, en la imagen del símbolo de litio el punto representa a su único
electrón de valencia, que está disponible para interactuar eléctricamente con otro
átomo y formar un enlace. El símbolo Li representa al núcleo que posee tres
protones y además a los otros dos electrones internos que conforman al átomo de
litio.
El modelo de Lewis es útil para explicar de forma gráfica cómo los átomos
comparten o transfieren sus electrones de valencia al unirse, es decir al formar un
enlace químico. Dichas representaciones se les conocen como estructuras de
Lewis.
Para construir estructuras de Lewis entre átomos hay que tener en cuenta las
siguientes reglas:
1. Un enlace se forma con la participaciónde al menos un par de
electronesentre dos átomos, es decir, al menos dos puntos entre dos
símbolos. En algunos casos los electrones provienen de un mismo
elemento y en otras de átomos diferentes.
2. Cuando los átomos de los elementos representativos (familias 1, 2, 13 a 17)
se enlazan, tienden a obtener la configuración electrónica del gas noble
más cercano.
3. Los átomos de los metales tienden a ceder sus electrones de valencia y
adquieren cargas positivas, en cambio los átomos de los no metales
pueden formar iones con cargas negativas cuando interactúan con átomos
metálicos.
4. Para los elementos representativos se presentan las siguientes estructuras
de Lewis en la figura 1.11.
35
Con la información de la figura 1.11 es posible representar fórmulas de sustancias
en las que es posible destacar cómo están enlazados los átomos que las
conforman.
Los gases nobles están conformados por átomos muy estables, lo cual permite
que estas sustancias sean inertes. Esa estabilidad se debe a que sus niveles de
energía se encuentran completos, el helio con dos electrones y el resto de los
gases nobles con ocho electrones en su último nivel de energía. Los demás
átomos de la Tabla Periódica, para alcanzar su estabilidad requieren enlazarse
con otros átomos. El modelo que explica cómo alcanzan esa estabilidad, como la
de los gases nobles, se le conoce como regla del octeto, la cual dice que los
átomos alcanzan su estabilidad al tener ocho electrones en su nivel energético
externo (a excepción de los átomos con menos número atómico que la alcanzan
con dos electrones de valencia como el helio), para ello pierden ganan o
comparten electrones con otros átomos. Cabe destacar que algunos elementos
son la excepción a la regla del octeto, por ejemplo, el hidrógeno, boro y helio no
cumplen con la regla del octeto, en algunos casos el nitrógeno tampoco la
alcanza; o hay elementos que pueden exceder ese número como lo hace el azufre
en algunos compuestos.
36
Ejercicios 1.20
1. Elabora el modelo de Bohr de los gases nobles cuyos números atómicos
son 2, 10, 18, 36.
Modelo de Bohr de los siguientes gases nobles.
no. atómico
11
no. atómico
14
no. atómico
16
no. atómico
36
Coloca el número de los electrones de valencia (último nivel)
Propón su modelo de Lewis a partir de la información
anterior
Familia a la que pertenece el elemento
2. Las estructuras de Lewis representan:
A) los electrones internos.
B) los protones del núcleo.
C) los protones de valencia.
D) los electrones de valencia.
37
3. La representación de Lewis de los elementos de la familia 13 es:
4. ¿Qué modelo representa la estructura de Lewis de un átomo de nitrógeno?
A)
B) C) D)
5. Cuando los átomos de los elementos representativos (familias 1, 2, 13 a 17) se
enlazan, tienden a adquirir la distribución electrónica del:
A) metal más cercano.
B) gas noble más cercano.
C) del líquido más cercano.
D) del no metal más cercano.
Para representar las estructuras de Lewis de las siguientes fórmulas hay que
considerar la cantidad de átomos de cada elemento y los electrones de valencia,
procurando que los elementos representativos con mayor electronegatividad
cumplan con la regla del octeto. O2, N2, NH3, H2O y CH4. Una vez que ya tienes
identificado esos datos, distribuyes los puntos en tu modelo.
Por ejemplo, analicemos juntos el caso del O2, la fórmula indica que son 2 átomos
de oxígeno, cada átomo aporta seis electrones de valencia, eso significa que en
total son 12 electrones interactuando con dos átomos, es decir hay que acomodar
12 puntos procurando que ambos símbolos de oxígeno cumplan con la regla del
octeto y que al menos entre símbolo y símbolo existan mínimo 2 puntos (que los
convertimos en una línea) Sin embargo, pueden ser más, pero siempre en parejas.
Analiza de la misma manera el caso del N2, NH3, H2O y CH4 de la figura 1.12
38
Ejercicio 1.21
1. Elabora las estructuras de Lewis de las siguientes fórmulas: H2S, BaCl2, Na2S,
BF3
Estructuras de Lewis de:
2. H2S 3. BaCl2 4. Na2S 5. BF3
39
2. ¿Qué modelo de Lewis es el más apropiado para representar la regla del octeto
de la molécula de dióxido de carbono?
3. La regla del octeto consiste en que un átomo para alcanzar la estabilidad debe
tener ocho:
A) electrones en su nivel energético externo.
B) neutrones en el núcleo
C) protones en el núcleo
D) electrones totales
4. ¿Qué elemento es el que está más próximo a adquirir la configuración
electrónica del gas noble más cercano?
A) Si
B) P
C) S
D) Cl
5. ¿Cuál es la estructura de Lewis que cumple con la regla del octeto del disulfuro
de silicio?
40
1.4.3 Propiedades periódicas
Anteriormente revisamos que Mendeleev postuló en su trabajo que las
propiedades químicas y físicas de los elementos químicos varían periódicamente
al variar la masa atómica, esto se conoce como Ley periódica. Desde la
publicación de la tabla de Mendeleev en 1869, hasta hoy, ésta ha sufrido una serie
de cambios para incluir nuevos elementos, valores más exactos, y diferentes
formas de rotular los grupos. Actualmente, la Tabla Periódica se encuentra
organizada con base en el número atómico, como lo propuso el físico inglés
Henry Gwyn Jeffreys Moseley (1913), con lo que se resolvieron los problemas
de organización de la tabla de Mendeleev.
Si observas con cuidado la Tabla Periódica, podrás notar que, en un período de
elementos, es decir, una fila; existe variación progresiva en las propiedades
físicas y químicas y que estas muestran un estrecho paralelismo con la variación
de las propiedades de otros periodos.
Por ejemplo, si analizas el segundo y tercer periodos, estos inician con metales
brillantes y terminan con un gas noble incoloro y no reactivo. Esto nos habla de
que en un periodo hay una tendencia de ir del mayor carácter metálico al no
metálico y que la tendencia se repite en cada periodo o renglón.
Ahora, si fijas tu atención en las columnas o familias observaras que los elementos
pertenecientes a la misma familia tienen tanto características constantes como
otras que varían. Veamos un ejemplo, el aumento en el número de electrones de
valencia en el segundo periodo es similar a lo que sucede en los demás períodos
(por ejemplo, tercero, cuarto, etc). Es decir, para el grupo 1, el primer elemento de
cada periodo tiene un sólo electrón de valencia en su nivel de energía más alto
o su capa más externa. Si continuamos con la idea veremos que para el grupo 2,
el berilio (Be), tiene dos electrones de valencia en el nivel dos; el magnesio (Mg),
dos en el tercer nivel de energía; el calcio (Ca), dos en el cuarto nivel, etc.
41
Pero si analizamos lo que sucede con el tamaño atómico, veremos que el
hidrógeno (familia 1) es más pequeño que el litio (Li) y éste es más pequeño que
el sodio (Na), lo que se observa es que conforme desciendes a lo largo de una
familia el tamaño atómico se incrementa.
Finalmente, los cambios periódicos de las propiedades físicas
y químicas de los elementos coinciden con su distribución
electrónica y por consiguiente con su posición en la Tabla
Periódica. A partir del estudio de las propiedades periódicas
podrás predecir el comportamiento de los elementos en una
reacción química. También, podrás saber qué usos y aplicaciones
les podemos dar en la vida diaria.
Existen diferentes propiedades periódicas (energía de ionización, afinidad
electrónica, electronegatividad, tamaño o radio atómico, tamaño o radio iónico,
carácter metálico, puntos de fusión y ebullición, tendencias de la densidad y
conductividad), algunas con un valor y aplicación práctica en la química como
ciencia y otras con aplicación cotidiana. En los renglones siguientes te
ayudaremos a profundizar en el estudio de tres que son fundamentales para la
comprensión del comportamiento químico: Energía de ionización, afinidad
electrónica y electronegatividad.
Ejercicio 1.22
Para tal fin te pedimos que indagues en un libro de química o en internet el
concepto de propiedad periódica:
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
Busca en un libro de química o en la web la tendencia que sigue a lo largo de un
periodo y una familia las siguientes propiedades periódicas e indica su
comportamiento en el siguiente esquema de la Tabla Periódica, usa lápices de
colores.
42
Color Propiedad
Energía de
ionización
Afinidad
electrónica
Electronegatividad
Carácter metálico
Radio atómico
1.4.3.1 Energía de ionización
Una de las propiedades periódicas de relevancia para la química es sin duda la
afinidad electrónica. Esta se define como “la cantidad de energía necesaria para
extraer un electrón de un átomo gaseoso en estado basal” Esto significa que
para extraer un electrón de un átomo neutro se requiere una cantidad específica
de energía porque los electrones se encuentran distribuidos en niveles de energía
específicos y éstos son atraídos por el núcleo por las diferentes cargas que tienen
ambos: electrones (negativos) y núcleo (positivo).
Por ejemplo, la energía de ionización para el litio es de 520 kJ/mol y corresponde
a la energía necesaria para remover el electrón de valencia que se encuentra en el
nivel energético 2 o segunda órbita, para entender esta idea observa la figura
1.13.
43
La energía asociada a la extracción del electrón unido, con menos fuerza, a un
átomo neutro se le conoce como primera energía de ionización (I1). Para extraer
un electrón adicional será necesaria más energía, segunda energía de
ionización (I2), así sucesivamente, la demanda de energía se incrementa con
cada electrón retirado y la carga del átomo se incrementa en una unidad positiva
por cada electrón extraído por lo que I1<I2<I3.
Tendencia periódica en la energía de ionización
1. Dentro de cada periodo, la I1 aumenta al aumentar el
número atómico. Los metales alcalinos tienen la energía de
ionización más baja, mientras que los gases nobles la más
alta.
2. Se presentan algunas pequeñas irregularidades como se
observa en la figura 1.14.
3. Dentro de cada grupo, la energía de ionización disminuye
al aumentar el número atómico. Por ejemplo,
He>Ne>Ar>Kr>Xe
4. Los elementos representativos muestran una variedad más
grande de valores que los elementos de transición. Las
energías de ionización de los elementos de transición
aumentan lentamente conforme avanzamos de izquierda a
derecha en un periodo.
Parte del comportamiento descrito anteriormente se puede explicar a partir del
tamaño de los átomos. Los átomos más pequeños tienen su electrón más externo
más próximo a su núcleo por lo que requieren mayor cantidad de energía con
respecto al electrón de un átomo más grande. Por ejemplo, el electrón de valencia
del hidrógeno se encuentra aproximadamente a 0.35 angstroms mientras que el
del Cesio está a 2.57 angstroms. Por esta razón, retirar el electrón del hidrógeno
demanda más energía que el del cesio (ver en la figura 1.14).
44
Por otra parte, al retirar uno o más electrones, la carga positiva del núcleo
aparentemente aumenta por lo que los electrones son atraídos con más fuerza.
También, cuando un elemento pierde un electrón y adquiere la configuración de un
gas noble, retirar el siguiente electrón de órbitas o capas internas costará una
cantidad muy grande de energía por la estabilidad electrónica en la que se
encontraba, esto se observa como un incremento extraordinario en el valor de la
energía.
Veamos el siguiente ejemplo, el sodio 11Na, tiene 11 electrones distribuidos en
diferentes órbitas. En la órbita más externa tiene solamente 1 electrón, la energía
para retirar ese electrón es de 496 kJ/mol y corresponde a la primera energía de
ionización (I1). En este caso el sodio queda sólamente con 10 electrones
distribuidos en dos órbitas quedando en la segunda órbita 8 electrones y
adquiriendo la configuración electrónica del neón (Ne) lo cual le da mucha
estabilidad pues tiene su octeto completo. Para retirar un segundo electrón, que
ahora se encuentra en una capa interna, se requiere según la tabla 4560 kJ/mol.
Ejercicio 1.23
En la figura 1.15, se muestra el comportamiento de la energía de ionización tanto
en los periodos como en las familias. Compara esta gráfica con la que realizaste
en la página 42 y corrige la que elaboraste de ser necesario.
45
Ejercicio resuelto
De los elementos que se citan a continuación: Na, K, Mg y Ca, indica cuál
necesitará más energía para que se ionice un electrón.
a) K, b) Mg, c) Na, d) Ca
Procedimiento o razonamiento para la solución
Primero inicia comparando los dos elementos alcalinos (los de la familia 1), Na y
K. Para ello, es necesario que los ubiques en la tabla periódica. De estos dos, el
que necesita más energía de ionización es el Na porque de acuerdo con su
ubicación en la tabla periódica tiene un tamaño atómico menor al encontrarse
situado por encima del K en el mismo grupo.
46
Si ahora haces lo mismo con el siguiente par, Mg y Ca, deberás llegar a un
resultado similar, es decir, el Mg es el que tiene mayor energía de ionización.
Ahora compara entre sí a los elementos que tienen mayor energía de ionización,
Na y Mg. Recuerda que esta propiedad aumenta al desplazarnos de izquierda a
derecha dentro de un mismo periodo, por lo que el elemento que requiere mayor
energía de ionización es el Mg.
Ejercicio 1.24
1. De los elementos que se citan a continuación: Li, Rb, Mg y Ba, indica cuál
necesitará más energía para que se ionice un electrón.
a) Li
b) Rb
c) Mg
d) Ba
2. ¿Cuál fue el proceso o razonamiento que realizaste para llegar a tu respuesta?
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
3. En la siguiente tabla se muestran los valores de las energías de ionización
sucesivas de cinco elementos hipotéticos distintos. ¿Cuáles de ellos corresponden
al primer grupo, es decir tienen sólo un electrón de valencia? Considera que al
retirar electrones que no son de valencia se observa un incremento abrupto en la
47
energía.
Elemento Energía de ionización (kJ/mol)
1er electrón 2o electrón
V 950 1300
W 980 3950
X 400 1200
Y 600 4900
Z 430 4600
a) U, W, X
b) W, X, Y
c) X, Y, Z
d) W, Y, Z
4. Organiza los siguientes elementos en orden creciente de energía de ionización:
F, Li, K, Cl, Na
__________________________________________________________________
5. ¿Cuál fue el razonamiento que utilizaste para organizarlos?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
6. De los siguientes elementos: Se, Ca, Cs y N, selecciona el que tiene menor
energía de ionización.
a) Se
48
b) Ca
c) Cs
d) N
7. ¿Cuál fue el proceso o razonamiento que realizaste para poderlo identificar?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
8. Señala si los siguientes enunciados sobre energía de ionización son ciertos o
falsos e indica la razón.
Enunciado Cierto / Falso
1. Energía necesaria para remover un electrón de un átomo en
estado gaseoso, se refiere a la afinidad electrónica.
Razón:
2. Después de que un átomo es ionizado, se requiere mayor
cantidad de energía para remover un segundo electrón porque
el segundo electrón está más cercano al núcleo.
Razón:
3. Solamente un electrón puede ser removido para que un
átomo adquiera una configuración electrónica estable.
Razón:
49
4. Un átomo es más estable si éste pierde un electrón.
Razón:
5. El argón tiene una energía de ionización menor al sodio.
Razón:
1.4.3.2 Electronegatividad y tipos de enlace: iónico y covalente
Como ya revisaste, la energía de ionización mide la tendencia de un átomo a
ceder electrones. Ahora estudiarás otra propiedad periódica, la
electronegatividad. Esta propiedad te permite predecir en gran medida el
comportamiento de los átomos de un elemento y está asociada con el tipo de
enlace que forman al combinarse.
Esta propiedad es la tendencia
relativa de los átomos de un
elemento para atraer los
electrones de otros átomos
con los que están enlazados.
En 1939, el ingeniero químico
Linus Pauling (1901-1994),
estableció una escala
arbitraria de
electronegatividades,
asignando al átomo más
electronegativo, el de flúor, el
valor 4,0 y, a partir de él, el de
todos los demás.
50
Si analizas la gráfica de la figura 1.16podrás notar que los valores de la
electronegatividad a lo largo de la Tabla Periódica presentan una variación clara
en los elementos representativos. Sin embargo, este comportamiento no es tan
marcado en los elementos de transición.
Por otra parte, algo que seguramente habrás notado es que los gases nobles no
aparecen en la gráfica y esto se debe a que no se les asignó un valor de
electronegatividad. ¿Cómo es posible esto?, bien contesta las siguientes
preguntas: ¿En qué familia se encuentran los gases nobles?
_________________, ahora con lo ya revisado anteriormente en el punto 1.4,
¿Cuántos electrones de valencia tienen? _____________. Relaciona esta
información con su tendencia a formar enlaces con los demás elementos y escribe
un pequeño enunciado que dé cuenta de ello
___________________________________________________________
Muy bien, en efecto, los gases nobles tienen 8 electrones de valencia, menos el
helio que es estable con dos, por lo que difícilmente forman enlaces y por ello no
se tienen valores de electronegatividad. Continuemos analizando la tendencia de
esta propiedad periódica, para ello te solicitamos que observes la figura 1.17 en el
que se muestra la tendencia del aumento de la electronegatividad dentro de los
grupos y periodos.
51
¿Cuál es el comportamiento general, qué observas sobre la variación de la
electronegatividad? Escribe un enunciado en que des tu conclusión:
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
_____________________________________________
Compara esta gráfica con la que realizaste en la página 42 y corrige la que
elaboraste de ser necesario.
Ahora seguramente te estarás preguntando ¿para qué me sirve estudiar la
electronegatividad? En química y ciencias afines, esta magnitud es muy útil para
predecir el tipo de enlace (modelo de enlace), que se formarán entre dos átomos.
También te permitirá comprender y explicar algunas de las propiedades físicas y
químicas de un compuesto.
Veamos cómo se utilizan los valores de electronegatividad para predecir el modelo
de enlace. Lo que tienes que hacer es calcular la diferencia (resta) de los valores
de electronegatividad de dos átomos enlazados. Te sugerimos siempre usar el
valor absoluto o en su defecto restarle al de mayor valor el de menor con el
objeto de que obtengas valores positivos.
Si el resultado de la diferencia de electronegatividades (XA - XB) entre el átomo A y
el átomo B es mayor o igual a 1.7, el modelo de enlace se considera iónico. Por
otra parte, cuando la diferencia se encuentra entre 0.1 y 1.7, el modelo de enlace
que mejor lo describe es el covalente polar. Y finalmente, si no existe diferencia,
es decir el valor es cero, se trata de un modelo de enlace covalente no polar o
covalente puro.
Tabla 1.2. Diferencias de electronegatividad y modelo de enlace
Diferencia de
electronegatividades
Modelo de enlace
mayor o igual a 1.7 iónico
entre 0.1 y 1.7 covalente polar
0 covalente no polar
Realicemos un par de ejercicios para que apliques la información anterior. En la
52
siguiente Tabla Periódica se encuentran los valores de electronegatividad de la
mayoría de los elementos.
Ejercicio 1.25
1. Ubica en la tabla de arriba los siguientes elementos Cs, Cl, H, O, N y recupera
los valores de electronegatividad reportados, anótalos en la siguiente tabla:
Elemento Valor de electronegatividad
Cs
Cl
H
O
N
53
2. Ahora, utiliza esta información para calcular la diferencia de
electronegatividades y predecir el modelo de enlace que mejor describe al enlace
formado entre los siguientes pares de elementos: Cs-Cl, O-H, H-N, H-H, O=O,
NΞN.
3. Realiza tus cálculos y completa el cuadro:
Par de elementos Diferencia de
electronegatividades
Modelo de enlace
Cs-Cl
O-H
H-N
H-H
O=O
NΞN
4. Ahora, predice el modelo de enlace que hay entre los átomos de los siguientes
compuestos:
a) NaF
b) N2
c) BrF
d) HBr
e) RbCl
f) CsFr
g) PH3
54
Actividad en línea
Para que sepas más sobre las propiedades periódicas te sugerimos que revises el
siguiente material complementario:
https://www.youtube.com/watch?v=GPm7xTq_nlo y http://ejercicios-fyq.com/?T-
Sistema-periodico-propiedades-periodicas-II
1.4.3.3 Predicción de propiedades de sustancias
Como habíamos mencionado, estudiar las propiedades periódicas de los
elementos te permitirá predecir el comportamiento de propiedades físicas y
químicas de los elementos y de los compuestos. De éstos últimos se pueden
predecir sus propiedades como el punto de fusión, la conductividad eléctrica, la
solubilidad y la cristalinidad al determinar el tipo de enlace que existe entre sus
átomos.
Ejercicio 1.26
1. Comencemos recordando cómo varían las propiedades periódicas. Para este fin
te invitamos a que completes la siguiente tabla. Indica en ella si la tendencia
general es tener valores altos o bajos según si se trata de metales o no
metales.
Propiedad periódica Metales No metales
Energía de Ionización
Electronegatividad
Para que puedas predecir propiedades, es necesario que identifiques tendencias y
relaciones las propiedades físicas, químicas con las propiedades periódicas. En
este caso, relacionamos la diferencia de electronegatividades (modelo de enlace)
con el punto de fusión de algunos compuestos.
2. Investiga en un libro o en la web los estados de agregación y los puntos de
fusión de los siguientes compuestos.
55
3. Por diferencia de electronegatividades, predice el modelo de enlace para los
siguientes pares de elementos.
Compuesto Estado de
agregación
Punto de
fusión
Modelo de enlace
Cloruro de sodio
(NaCl)
Na -
Cl
Diamante
(C diamante)
C - C
Hidroxiapatita
(Ca5(PO4)3OH)
P - O
Fenol
(C6H5OH)
C - O
Glucosa
(C6H12O6)
C - H
Azufre
(S8)
S - S
Alcohol
(C2H5OH)
O - H
Ácido clorhídrico
(HCl)
H - Cl
Metano
(CH4)
C - H
56
4. Analiza la información que recabaste en la tabla e indica qué relación existe
entre el punto de fusión y el modelo de enlace. ¿Cuál es la tendencia general y
que excepciones encontraste?
_________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
5. De los materiales de la tabla anterior investiga sobre su conductividad eléctrica
y completa la siguiente tabla:
Líquidos conductores Líquidos no conductores
Sólidos conductores al
estar disueltos en agua
Sólidos no conductores al
estar disueltos en agua
Sólidos conductores al
estar fundidos
Sólidos no conductores al
estar fundidos
57
6. Analiza cuidadosamente las dos tablas, busca la relación que existe entre
estado de agregación, punto de fusión, conductividad eléctrica y el modelo de
enlace. Escribe un párrafo en el que expliques la relación que existe entre el
modelo de enlace y las propiedades observables.
Es importante que recuerdes que la predicción del comportamiento de elementos y
compuestos son solamente una aproximación a la realidad. Muchas veces el valor
o comportamiento predecido puede corresponder o no a la realidad. Sin embargo,
se debe corroborar mediante experimentos, debido a que las propiedades físicas y
químicas se ven influenciadas también por la estructura del elemento o
compuesto.
58
Predicción de la cristalinidad y solubilidad a partir del modelo de enlace
Otra propiedad que se puede predecir a partir de los valores de electronegatividad
y como resultado del modelo de enlace es la cristalinidad que pueden tener
algunos compuestos sólidos. Como ya revisaste, los valores de electronegatividad
te ayudan a predecir el modelo de enlace que hay entre dos átomos, en el caso de
Na-Cl, el modelo de enlace que mejor lo describe es el iónico debido a que Na =
0.9 y Cl = 3.5.
Los compuestos iónicossólidosno forman moléculas, se encuentran formando
cristales o estructuras reticulares. También, existen algunos compuestos
covalentes que forman sólidos cristalinos, debido al alto grado de ordenamiento de
sus moléculas como es el caso del diamante y el azúcar. Cabe señalar que,
aunque son cristales, estos no forman iones y sus propiedades y características
son distintas de los compuestos iónicos.
Investiga cuales son las características que deben tener los cristales iónicos y
covalentes y completa la siguiente tabla:
Cloruro de sodio - sólido iónico Sacarosa - sólido covalente
Características de los sólidos
iónicos
●
●
●
●
●
●
●
●
●
Características de los sólidos
covalentes
●
●
●
●
●
●
●
●
●
59
Recuerda que “la presencia de iones en un sólido implica una
estructura cristalina, pero una estructura cristalina no
necesariamente implica la presencia de iones”
Ejercicio 1.27
En la siguiente tabla se listan cuatro sólidos. Con ayuda de los valores de
electronegatividad de la tabla proporcionada en el ejercicio N sección 1.4.3.2,
predice el modelo de enlace e indica cuáles son iónicos y cuáles covalentes.
Sólido Tipo de
elemento
Modelo de
enlace
Tipo de cristal
(ionico/covale
nte)
Yoduro de
potasio
(KI)
Naftaleno
(C10H8)
Fenol
(C6H6O)
Bromuro de
calcio
(CaBr2)
60
Ahora pasemos a revisar lo que sucede con la solubilidad y su relación con el
modelo de enlace. Seguramente has escuchado la frase “lo similar disuelve a lo
similar”, esta “regla” se fundamenta en lo siguiente: para que un soluto se
disuelva en un disolvente, las atracciones entre
las entidades que forman el soluto (cristales,
moléculas) y las que forman el disolvente tienen
que ser mayores que las que existen entre las
entidades del soluto o el disolvente entre sí.
Un disolvente ampliamente utilizado es el agua,
las moléculas del agua están formadas por dos
átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Si
aplicas los conocimientos que ya posees sobre la
electronegatividad y utilizas la tabla del punto
1.4.3.2, verás que el valor para el oxígeno es 3.5, mayor que la del hidrógeno 2.1.
Por lo que el modelo de enlace es covalente polar. Se sabe que el enlace entre el
H y O en la molécula del agua es un enlace covalente muy polar. Con una parte
negativa alrededor del oxígeno y otras dos porciones positivamente cargadas
alrededor de los hidrógenos como se muestra en la figura 1.18.
Cuando al agua se le adiciona una sustancia iónica, es decir un cristal iónico, se
establecen interacciones fuertes entre el dipolo (+ - +) del agua y los iones del
cristal. La carga parcial negativa de la molécula de agua atrae a los cationes,
mientras que la positiva de los hidrógenos hace lo correspondiente con los
aniones como se muestra en la figura 1.19.
61
Actividad en línea
Puedes revisar el siguiente video para afianzar lo que
aprendiste.https://www.youtube.com/watch?v=hFNhFASW1uE
Interacción entre los iones positivos (Na+) y negativos (Cl-) que forman el cristal
de NaCl con las moléculas del agua.
Las interacciones entre el dipolo del agua y los iones son tan fuertes que llegan a
vencer la energía de atracción (cohesión) de los iones en el cristal. Los dipolos del
agua se orientan adecuadamente alrededor de los iones, con lo que se presenta el
fenómeno de solvatación y, finalmente, la disolución del cristal.
Por otra parte, una gran cantidad de compuestos covalentes también se disuelven
totalmente en el agua, como la glucosa y el etanol. Otros son totalmente insolubles
como el tetracloruro de carbono y el hexano. ¿cómo explicar este
comportamiento? Para ello te pedimos que revises los datos de la siguiente tabla y
busques la relación que existe entre la solubilidad y el modelo de enlace.
Sustancia Solubilidad en agua Modelo de enlace
Etanol 100 % Covalente polar
Acetona 100 % Covalente polar
Acetato de
etilo
8.7 % Covalente polar
Benceno 0.18 % Covalente no polar
Hexano 0.001 % Covalente no polar
Describe el comportamiento que hayas encontrado y expresa tu conclusión
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
62
Como lo pudiste notar, las sustancias
covalentes que generalmente se
disuelven en agua son aquellas que
presentan enlaces covalentes polares. En
este caso ocurren interacciones entre los
dipolos del agua y el dipolo o dipolos del
soluto. Por ejemplo, el etanol presenta un
dipolo debido al valor tan grande de
electronegatividad del oxígeno (3.5), se
disuelve en agua fácilmente ya que
establece puentes de hidrógeno con los
dipolos del agua como se muestra en la figura 1.20.
Regresando a la famosa frase lo similar disuelve a lo similar, es necesario no
tomarla como una regla. Si bien, la presencia de enlaces covalentes polares en un
sólido puede favorecer su solubilidad en un disolvente polar, tampoco es posible
hacer generalizaciones. Por ejemplo, los hidrocarburos presentan enlaces con
cierta polaridad, la diferencia entre las electronegatividades del carbono e
hidrógeno es de 0.4, y de acuerdo con la tabla 1.2,esta pequeña diferencia
corresponde a enlaces polares. Sin embargo, estos compuestos no son solubles
en agua.
Otra generalización que se suele hacer de manera incorrecta, es decir que todo
compuesto iónico es soluble en agua. Pero afortunadamente, no todos los
compuestos iónicos son solubles, por ejemplo, la hidroxiapatita de los dientes no
es soluble en agua sino ¡imaginate que desastre! La solubilidad de las
sustancias con enlaces iónicos depende de las fuerzas de atracción entre sus
iones, mientras más fuertes sean menos solubles serán.
Propuesta deLaboratorio en casa ¿iónico o covalente?
Materiales necesarios:
4 vasitos de plástico pequeños
(como los de las muestras del
supermercado o un blister de
chicles vacio).
4 cucharitas de plástico
pequeñas (como las que te dan
en los helados).
Una botella de agua de 250 mL.
63
Un dispositivo prueba corriente (lo puedes elaborar con un foquito de 3 V un
cable para bocina y dos pilas AA. como el que se muestra en la figura 1.21.
Azúcar (de tu alacena)
Sal (de tu alacena).
Una bolita de naftalina (se consigue en las farmacias)
Bicarbonato de sodio (de tu botiquín).
Antes de comenzar, usando sólamente tus conocimientos previos sobre los
materiales propuestos, clasifícalos como iónicos o covalentes.
Materiales Clasificación
previa
(iónica o
covalente)
Cristalino
o no
Conducti
vidad en
sólido
Soluble en
agua
Conductividad
disuelta en
agua
Tipo de
compues
to
Azúcar
para
cocina
Sal de
mesa
Naftalina
Polvo
para
hornear
Coloca una pequeña cantidad de cada una de las sustancias (la punta de la
cuchara para helado) en un un vasito de plástico respectivamente y anota en la
tabla si la sustancia tiene aspecto de cristalino o no.
Una vez que observaste el aspecto de las sustancias, verifica con tu dispositivo si
los sólidos conducen la corriente eléctrica.
Posteriormente, adiciona una pequeña cantidad de agua embotellada (1/4 del
vasito), intenta disolver y prueba si la disolución resultante conduce la corriente,
usando el dispositivo que elaboraste.
64
Investiga las fórmulas químicas de las sustancias, busca los valores de
electronegatividad y determina el modelo de enlace, anótalo en la tabla.
Analiza los datos de tu tabla e indica ¿cuál fue el mejor criterio para clasificar los
compuestos como iónicos o covalentes?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
¿Consideras que conociendo el modelo de enlace del compuesto puedes predecir
la solubilidad que tendrá el material en agua?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
Contesta si son ciertas o falsas las siguientes afirmaciones y da la razón de
porque lo consideras así.
Enunciado Cierto / Falso
1. Los compuestos iónicos siempre se
disuelven en agua y la disolución resultante
conduce la corriente eléctrica.
Razón:
2. Ningún compuesto covalente presenta
conductividad eléctrica, sea sólido, fundido o
disuelto.
Razón:
65
3. Para explicar los diferentes valores de la
temperatura de fusión de los sólidos, no es
necesario el modelo de enlace iónico o
covalente.
Razón:
4. Los compuestos covalentes siempre se
funden a menor temperatura que los
compuestos iónicos.
Razón:
5. Todos los compuestos iónicos conducen la
electricidad cuando están fundidos o disueltos
en agua.
Razón:
66
67
Unidad 2. Agua
Agua, sustancia indispensable para la vida.
En esta unidad aprenderás la química de agua y al mismo tiempo entenderás
algunos de los procesos y fenómenos en los que esta involucrada esta sustancia y
que son parte de tu vida cotidiana, tales como las disoluciones y los métodos de
separación de componenetes de una mezcla. También revisarás dos de las
reacciones más importantes de esta sustancia: su descomposición y su formación,
así como el papel que juega la energía en ambos procesos. Gran parte de los
conceptos que comprendiste con la unidad anterior, los usarás para seguir
aprendiendo en el contexto del agua.
Los conceptos clave son: enlaces intra e intermoleculares del agua,energía de
activación, endotérmico y exotérmico, concentración, disolución, modelo,
contaminación del agua.
2.1 Composición y estructura
2.1.1 Fórmula
El agua es una sustancia compuesta que representamos con la siguiente fórmula:
H2O. Este modelo indica una proporción: que, por cada dos átomos de hidrógeno,
hay un átomo de oxígeno; como en su composición hay dos átomos diferentes
(hidrógeno y oxígeno) la clasificamos como un compuesto.
Hay distintas maneras de representar ese compuesto ¿cuál modelo es el mejor?
pues va a depender de lo que quieras analizar, entender o incluso hasta por gusto
o por sencillez. En la figura 2.1 te mostramos algunos modelos de la molécula del
agua.
68
En la imagen figura 2.1 hay un primer modelo que además de considerar los
símbolos del hidrógeno y del oxígeno, aparecen dos pares de puntos que
representan cuatro electrones libres que generalmente no los ponemos, pero que
van a darle a la molécula ciertas propiedades que más adelante revisarás. Los dos
siguientes modelos son muy parecidos entre sí, por ejemplo, nos muestran que la
esfera del oxígeno es más grande que las esferas del hidrógeno; la diferencia es
que en el tercero no se visualizan las líneas con las que representamos a los
enlaces. Finalmente, en el último modelo el dato relevante que presenta es que
hay un ángulo obtuso de 104.5 grados que se forma entre los hidrógenos y que
también será fundamental para explicar el comportamiento y propiedades del
agua.
2.1.1.1 Modelo de Bohr y la molécula del agua
Además de los modelos anteriores, también podemos utilizar el modelo de Bohr,
que ya revisaste, para representar a la molécula de agua, pero en este caso tú
construirás el modelo. Recuerda que el modelo en cuestión considera niveles de
energía y en ellos se colocan los electrones, en este caso te sugerimos que los
coloques en forma de puntos y no pierdas de vista que serán los del último nivel
los que van a interactuar en el enlace.
Ejercicio 2.1
1. En la siguiente tabla coloca el modelo de Bohr del átomo de hidrógeno y del
oxígeno:
Modelo de Bohr del
hidrógeno
Modelo de Bohr de oxígeno
Considerando la proporción de los componentes de la
molécula y el ángulo obtuso entre los hidrógenos, propón el
modelo de Bohr del agua.
Seguramente en tu modelo de Bohr de la molécula del agua ya lograste apreciar
los cuatro electrones libres del oxígeno que ya mencionamos.
69
2.1.2 Interacciones intramoleculares (tipo de enlace)
Las fuerzas intramoleculares son las interacciones que se establecen entre los
distintos átomos y los mantienen unidos entre sí. Es decir, las interacciones
intramoleculares se refieren a los diferentes enlaces.
El modelo de Bohr toma relevancia ya que nos va ayudar a comprender algunos
aspectos, por ejemplo ¿qué sucede con los electrones que hay entre letra (núcleo)
y letra (núcleo)? Para responder a esta pregunta, realiza el siguiente ejercicio:
Ejercicio 2.2
1. Completa la siguiente tabla de acuerdo a lo que te van solicitando:
a. Busca los valores de
electronegatividad del:
Hidrógeno: Oxígeno:
b. De acuerdo con la diferencia de
electronegatividades del hidrógeno y
del oxígeno, clasifica el enlace de la
molécula del agua. Si tienes dudas,
revisa el tema de electronegatividad.
c. Propón la estructura de Lewis del: hidrógeno:
oxígeno:
d. Propón el modelo de Lewis de la
molécula del agua, considera el
ángulo entre hidrógenos.
De acuerdo con tus respuestas en esta tabla
podemos llegar a una conclusión importante: el
enlace que hay entre el hidrógeno y el oxígeno
dentro de la molécula del agua es covalente polar
como se aprecia en el modelo de la figura 2.2,es
una interacción eléctrica en la que se comparte
electrones, aunque la pequeña diferencia de
electronegatividad entre el oxígeno y el
hidrógenoocasiona que no se compartan
70
equitativamente.
2.1.3 Interacciones intermoleculares (puente de hidrógeno)
La molécula del agua se comporta parecido a un imán ¿Qué significa esto?
Seguramente identificaste que el enlace entre el hidrógeno y el oxígeno de la
molécula del agua es covalente polar, eso significa que hay polos como en los
imanes, que en este caso son polos magnéticos, pero ¿cómo se forman estos
polos en el agua? Para responder a esta pregunta te vas a apoyar de los
siguientes modelos en la figura 2.3:
Recuerda, los puntos están representando los electrones de valencia, en el
modelo A se está mostrando que la línea entre el O y el H representa un par de
electrones (dos puntos). En el cuadro que acabas de construir identificaste que el
valor de electronegatividad del oxígeno es un “poco” mayor al del hidrógeno, de
acuerdo a este dato, significa que los electrones (que son negativos) están
“ligeramente” más cerca del núcleo del
átomo de oxígeno, eso es lo que se
representa en el modelo B, es por ello que
se forman polos que los representamos con
la letra griega “d” (𝟃), que alude a
“densidad electrónica” siendo el polo
negativo la zona del oxígeno y los polos
positivos en el caso de los hidrógenos
(pues sus cargas negativas se alejaron un
“poco” del núcleo que es positivo), así,
decimos que la molécula del agua es
dipolar como se observa en el modelo de la
figura 2.4.
71
La característica del agua de ser dipolar ocasiona que tenga propiedades muy
diferentes si la comparamos con otras moléculas similares a ella en composición.
Ejercicio 2.3
1. Observa y analiza la siguiente tabla y contesta las siguientes preguntas:
Propiedades físicas a 1 atm y 25 C
Sustancia Estado de
agregación
Temperatura
de fusión
( C)
Temperatura
de ebullición (
C)
H2O líquido 0.0 100
H2S gas -86 -60
H2Se gas -65.73 -41
H2Te gas -49 ¿?
2. ¿Qué átomos cambian en las fórmulas? y a ¿qué familia pertenecen?
3. Considera el estado de agregación ¿cuál es la sustancia diferente?
4. ¿Cuál es la sustancia que no presenta valores negativos en las temperaturas de
fusión y ebullición?
5. Sin considerar al agua ¿Cómo se comportan las temperaturas de fusión de
acuerdo con el lugar que ocupan los átomos diferentes al oxígeno en la Tabla
Periódica?
6. Propón un valor de temperatura de ebullición para el H2Te, de acuerdo con el
comportamiento que identificas:
Cómo identificaste con el ejercicio, el agua tiene un comportamiento muy diferente
a sustancias que se parecen a ella en composición, la explicación está asociada a
su dipolaridad, ya que, al estar una molécula de agua frente a otra, hay
interacciones intermoleculares que se conocen como puentes de hidrógeno como
se muestra en el siguiente modelo de la figura 2.5.
72
En el modelo de la figura 2.5 se observa una marca negra difuminada, con ella
señalamos esta nueva interacción débil, comparada con el enlace covalente polar,
es una interacción que se da entre diferentes moléculas de agua y entre polos de
diferentes cargas, ahora imagina en una muestra de agua la existencia de trillones
de moléculas de agua interactuando entre sí mediante enlaces o puentes de
hidrógenos, su ruptura y formación serán los responsables de los tres diferentes
estados de agregación que conocemos de este vital líquido, pero también serán
los responsables de las propiedades tan distintas del agua según la tabla del
ejercicio 2.3.
Ejercicio 2.4
De acuerdo con el modelo de la figura 2.5
1. Define al enlace covalente polar:
2. Define al enlace por puentes de hidrógeno:
3. Enlista al menos dos diferencias entre estos dos enlaces:
Los puentes de hidrógeno sólo ocurren entre el hidrógeno de una molécula con
átomos electronegativos de otra molécula como el O, tal como ocurre con el
oxígeno del agua, pero también con el flúor y el nitrógeno; con este dato, el H2S,
H2Te y H2Se no pueden formar puentes de hidrógeno y sus propiedades, por
ende, son muy distintas al agua.
73
Actividad en línea
Para concluir este tema, revisa el siguiente video y responde las preguntas:
https://www.youtube.com/watch?v=pUpMGGPg8sY
1. ¿Por qué el agua se curva al cercar el objeto plástico “cargado”?
2. ¿Por qué el globo que contenía agua no explotó?
3. ¿Cómo se explican las fuerzas de adhesión y de cohesión?
4. ¿Por qué cuando el agua se enfría ocupa más espacio que el agua sólida?
5. Si el hielo ocupa más espacio que el agua líquida ¿que ocurre con la densidad?
2.1.4 Reacciones de síntesis y descomposición del agua
Ya aprendiste que de acuerdo con la fórmula del agua y con los diferentes
modelos de su representación que ésta es un compuesto dado que hay al menos
dos átomos diferentes que al unirse forman enlaces covalentes polares. Pero hay
otra forma de demostrar que el agua es un compuesto, para ello analizaremos la
reacción de su descomposición que se conoce como electrólisis que en su
etimología está conformada por el prefijo “electro” y del sufijo “lisis” y que significa
“descomponer o romper usando la electricidad.
Ejercicio 2.5
1. Completa la siguiente información que se solicita en la siguiente tabla:
Sustancia Agua oxígeno hidrógeno
propiedades
físicas
propiedades
químicas
La electrólisis del agua, reacción de descomposición.
La electrólisis del agua, por tanto, es un proceso mediante el cual se utiliza la
energía eléctrica para romper enlaces covalente polares de la molécula y obtener
dos nuevas sustancias elementales, el oxígeno (O2) y el hidrógeno (H2), ambos
moleculares, es decir, se lleva a cabo una reacción química. Una representación
del proceso usando modelo sería la siguiente ecuación:
74
H2O H2+ O2
Ahora vamos a representar la anterior ecuación usando el modelo de Dalton(figura
2.6), es decir, cada elemento como una esfera, recuerda que el oxígeno y el
hidrógeno existen en la naturaleza como moléculas diatómicas, por eso los
representamos como O2 y H2, respectivamente. El rayo sobre la flecha indica que
este proceso se realizó con electricidad.
Ejercicio 2.6
Del modelo anterior (figura 2.6) contesta las siguientes preguntas:
1. ¿Cuántos círculos pequeños en total hay en el antes y en el después?
2. ¿Cuántos círculos grandes en total hay en el antes y en el después?
3. Si a cada círculo grande le asignas un valor de 16 ¿Consideras que se
conserva la masa? Explica
4. ¿Qué propones para que se cumpla la Ley de la conservación de la masa?
considera un valor de 1 para cada círculo gris
5. Representa tu propuesta usando el modelo de Dalton.
Seguramente con el ejercicio anterior te diste cuenta de que la ecuación no estaba
balanceada y debiste proponer un modelo parecido a éste:
2 H2O 2 H2+ 1 O2
Que me indica lo siguiente: por cada dos moléculas de agua que se descomponen
se producen dos moléculas de hidrógeno y 1 molécula de oxígeno. Es decir, la
proporción de productos que se va a obtener es 2:1.
75
Actividad en línea
Para afianzar lo que acabas de aprender, revisa el siguiente experimento virtual
http://www.objetos.unam.mx/quimica/electrolisis/index.html y responde las
siguientes preguntas:
1. ¿Cuál es la función del hidróxido de sodio disuelto en agua?
2. ¿Por qué se deben cerrar las válvulas del
voltámetro antes de prender la fuente de
poder?
3. Una vez que se encendió el voltámetro,
describe lo que observas en los tubos más
delgados (de ambos extremos). Describe las
diferencias y las coincidencias.
4. ¿Qué sugieres que sea lo que describiste?
5. ¿Qué sucedió en cada caso cuando se acercó
la flama encendida? y explica esos resultados.
6. ¿Para qué sirve la electrólisis, según el
recurso que revisaste?
7. En el siguiente esquema de un voltámetro,
propón de que lado encontramos al hidrógeno
y de qué lado el oxígeno y explica tu
respuesta.
La síntesis del agua, obtener agua
Antes de revisar el apartado de la electrólisis, realizaste una tabla comparativa
entre las propiedades del agua y de los gases hidrógeno y oxígeno. Con lo que
has aprendido identificaste que el agua tiene propiedades muy distintas a las
sustancias que se obtienen de su descomposición, aún cuando en la molécula hay
dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, ésta no es ni combustible, ni
comburente como sí lo son la molécula del hidrógeno y del oxígeno
respectivamente. Esto es porque no es lo mismo las propiedades de la sustancia
elemental, que las propiedades de sus átomos interactuando con otro distinto
mediante enlaces fuertes, como lo es el enlace covalente polar del agua.
Ejercicio 2.7
Ahora vas a analizar la reacción inversa, es decir, tener como reactivos a los
gases hidrógenos y oxígeno y obtener agua. Propón usando el modelo de Dalton
la ecuación de la síntesis del agua recuerda cuidar las proporciones y que se
76
cumpla la conservación de la masa. En este caso no debes poner un “rayo” sobre
la flecha porque esta reacción no requiere de energía eléctrica para llevarse a
cabo:
1. En la siguiente tabla coloca tu modelo
2. Verifica que tu modelo es correcto, asígnale el valor de 16 a los átomos de
oxígeno y el valor de 1 a los átomos de hidrógeno, si tu propuesta es correcta,
deberás tener el mismo valor en el antes y después al hacer la suma
correspondiente.
Actividad en línea
Revisa el siguiente video para que conozcas las condiciones en la que se lleva a
cabo la reacción: https://www.youtube.com/watch?v=-DRBdDfPrlU
Responde las siguientes preguntas:
1. ¿En qué dispositivo colectó los reactivos (hidrógeno y oxígeno)?
2. ¿Cuál es el estado de agregación de esos reactivos?
3. ¿Cómo obtuvo ambos reactivos?
4. Describe lo que ocurrió cuando acercó la flama a los gases
5. ¿Qué hubiera sucedido si no se acerca la flama?
6. Escribe la ecuación de la síntesis del agua y compárala con la que propusiste
con el modelo de Dalton
Energía en las reacciones de electrólisis (descomposición) y síntesis del
agua.
En el video que revisaste de la síntesis del agua, notaste que, al acercar una
flama, se escuchó un estruendo y se observó una “bola” de fuego, como una
explosión; incluso en la ecuación que propone el autor del video en los productos
suma la palabra energía ¿qué significa ésto?
Una reacción química es un proceso en el que se forman nuevas sustancias a las
que llamamos productos a partir de otras sustancias que llamamos reactivos.
77
Representamos una reacción química mediante una ecuación química, que es un
modelo y lo podemos hacer usando letras y fórmulas o usando el modelo de
Dalton como tú lo hiciste.
Otra cualidad importante de la reacción química es que hay energía involucrada,
para entender esta idea considera que: para romper un enlace hay que
proporcionar energía y cuando se forman los nuevos enlaces se libera energía, no
importa la reacción que sea, revisa el modelo de la figura 2.7.
Las reacciones químicas absorben energía del ambiente o se les puede
proporcionar con alguna fuente, por ejemplo, en el caso de la electrólisis del agua,
se necesitó de energía eléctrica o en el caso de la síntesis donde hubo necesidad
de acercar una flama. ¿Qué cantidad de energía se necesita para romper
enlaces? pues dependerá de qué átomos están unidos, en el caso de la molécula
del agua se rompen los enlaces covalente polares.
Toda reacción química necesita de un mínimo de energía para comenzar, es decir,
para romper enlaces; a esta mínima cantidad de energía se le conoce como
energía de activación. En la síntesis del agua, si no se acerca la flama los gases
mezclados se hubieran incorporado a la atmósfera y no hubiese ocurrido nada.
Ahora bien, desde el punto de vista de la energía, podemos clasificar a las
reacciones en endotérmicas y exotérmicas ¿Cuál es la diferencia entre ambas si
todas las reacciones absorben y liberan energía? Pues va a depender de qué
cantidad de energía absorba y libere. La electrólisis del agua es una reacción
endotérmica, eso significa que se necesita más energía para romper los enlaces
covalente polares de la que se va a liberar al formar los enlaces de las moléculas
gaseosas (H2 y O2), ver la figura 2.8.
78
Ejercicio 2.8
1. De acuerdo con lo que observaste en el video de las síntesis del agua ¿Qué
tipo de reacción química según la energía? Coloca las palabras “mucha” y “poca”
según consideres y anota cómo la clasificas con base en esa información.
Si respondiste que la síntesis del agua es una reacción exotérmica, estás en lo
correcto, este tipo de reacciones requieren de poca energía para romper los
enlaces en los reactivos y liberan mucha energía al formar los nuevos
enlaces, por ello en el video observaste una explosión cuando acercaron la flama.
Las reacciones exotérmicas son las que más identificamos en nuestro entorno,
como las combustiones, que verás más adelante.
Ejercicio 2.9
Ahora es momento de responder algunas preguntas para saber qué tanto
aprendiste del tema. Elige la respuesta correcta:
79
1. En la electrólisis del agua se aplica electricidad para:
A) romper los enlaces de la molécula de agua y formar nuevos enlaces. B) romper los enlaces entre las moléculas de agua y evaporarla. C) hacer que se disuelva el electrolito en el agua. D) conservar las sustancias disueltas en el agua. 2. En una reacción química, las sustancias que intervienen como reactivos: A) mantienen sus propiedades. B) se transforman en otras distintas. C) cambian de estado de agregación. D) mantienen su estado de agregación. 3. Una propiedad del hidrógeno es ser: A) un combustible. B) un comburente. C) un metaloide. D) un oxidante. 4. Una propiedad del oxígeno es ser: A) un combustible. B) un comburente. C) un metaloide. D) un reductor. 5. Un ejemplo de una reacción exotérmica es: A) la fotosíntesis. B) la descomposición del agua. C) la síntesis del agua. D) la pérdida de agua de una sal hidratada 6. ¿Cuál de los siguientes modelos de Dalton representa la ecuación de la electrólisis del agua?
80
2.2 Disoluciones acuosas
Anteriormente se ha mencionado que la mayoría de los materiales que existen en
la naturaleza y que utilizamos cotidianamente como la arcilla, el aire y hasta las
aleaciones usadas por los dentistas para las amalgamas; suelen estar constituidos
por varias sustancias, recordemos que una mezcla es un material formado por la
combinación de dos o más sustancias que conservan sus propiedades
individuales.
También sabes que algunas mezclas, como la arena, las rocas y madera, no
tienen la misma composición, propiedades y aspecto en todos los puntos. Tales
mezclas son heterogéneas. Las mezclas que son uniformes en todos sus puntos
son homogéneas las cuales también se conocen como disoluciones.
Probablemente estés más familiarizado con las disoluciones líquidas, como los
jarabes y la limonada, pero las disoluciones pueden contener sólidos, líquidos o
gases por ejemplo el aire es una disolución gaseosa; el latón es una disolución
sólida.
Ejercicio 2.10
En la tabla 2.1 se presentan varios tipos de sistemas de disolución proporciona un
ejemplo de cada uno.
81
Tabla 2.1. Tipos de sistemas de disoluciones
Sistema Ejemplo
Gas – gas El aire es una mezcla de gases formada
principalmente por nitrógeno, oxígeno y argón
Gas – líquido
Líquido -gas
Líquido – líquido
Sólido – líquido
Sólido – sólido
Como pudiste notar al completar la tabla 2.1 algunas de las disoluciones no
incluyen un disolvente líquido; por ejemplo, el aire que respiramos (una disolución
de nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono, vapor de agua y otros gases) y las
disoluciones sólidas como el oro de 18K y el bronce. Aunque como puedes ver
hay muchos tipos de disoluciones, el objetivo de esta sección es analizar las
disoluciones líquidas, ya que si observamos a nuestro alrededor a diario entramos
en contacto con disolucionesen las que el agua está presente. Por ejemplo,
disoluciones acuosas de sales, limpiadores domésticos, como amoníaco en agua
o hipoclorito de sodio en agua (conocido comúnmente como cloro).
También, elaboramos disoluciones acuosas a propósito por ejemplo agregamos
azúcar, saborizantes y en ocasiones CO2 al agua para producir una bebida
agradable. Los atletas toman bebidas comerciales con sales disueltas que igualan
82
de manera precisa las concentraciones salinas de los fluidos del cuerpo,
permitiendo una asimilación más rápida. En medicina se emplean infusiones
salinas (una disolución de NaCl y otras sales solubles) como los sueros para
reemplazar los fluidos que pierde el organismo.
Como pudiste observar las disoluciones acuosas son muy abundantes en
nuestra vida. Las propiedades del agua son las responsables de que este
compuesto forme una gran cantidad de mezclas. A continuación, analizaremos
los componentes de las disoluciones.
2.2.1 Concepto de soluto y disolvente
Recordemos que una disolución es una mezcla homogénea en la cual una
sustancia llamada soluto (sólido, líquido, gas) se dispersa de manera uniforme en
otra llamada disolvente. Las distintas sustancias que forman una disolución
reciben el nombre de componentes de la disolución. En general, se llama
disolvente al componente que se encuentra en mayor cantidad y es el medio que
disuelve al soluto. La disolución que forman tiene el mismo estado característico
que el disolvente. Aunque un disolvente puede ser un gas, líquido o sólido,
recordemos que el disolvente más común es el agua.
Por otra parte, el soluto puede ser sólido, líquido o gas y es el componente que
se encuentra en menor cantidad y es el que se disuelve. Cuando se disuelve
azúcar en un vaso de agua, se forma una disolución líquida de azúcar. El azúcar
es el soluto y el agua es el disolvente. Las disoluciones carbonatadas como el
refresco se preparan disolviendo CO2 gaseoso en agua. El CO2 sería el soluto, y el
agua es el disolvente. En la tabla 2.2 se muestran algunas disoluciones y sus
componentes.
Tabla 2.2. Identificación de los solutos y disolventes en diversas
disoluciones
Ejemplos Soluto Disolvente
Atmósfera Oxígeno Nitrógeno
Agua mineral Dióxido de carbono Agua
Vinagre Ácido acético Agua
83
Agua de mar Cloruro de sodio Agua
Acero Carbono Hierro
Bronce Zinc Cobre
Como puedes observar el agua es el disolvente en diversas disoluciones.
Ejercicio 2.11
1. Identifica el soluto y el disolvente en cada una disolución.
Disolución Soluto Disolvente
Se tiene 1 g de azúcar disuelto
en 100 g de agua
Una mezcla 50 mL de agua con
20 mL de alcohol isopropílico
Un dentista realizó una
amalgama dental con 0.2 g de
mercurio y 0.5 g de plata
Las propiedades físicas y químicas de las disoluciones dependen de las
cantidades relativas de soluto y disolvente presentes en la disolución ya que al
agregar un soluto a un líquido puro se modifican sus propiedades. En realidad,
este es el motivo por el cual se preparan algunas disoluciones.
Por ejemplo, cuando se agrega anticongelante al radiador de un automóvil se
impide que el agua alcance su punto de ebullición en el verano y se congele en el
invierno. Los cambios que ocurren en los puntos de congelación y ebullición de la
mezcla dependen de la cantidad de anticongelante agregado por lo que es
importante conocer la concentración de la disolución.
A continuación, te mostramos cómo calcular la concentración de diversas
disoluciones.
84
2.2.2 Concentración de disoluciones
Las disoluciones están presentes en todo momento de tu vida, te acompañan en
las actividades que realizas a diario. Por ejemplo, al consumir agua saborizada
con frutas, en una comida, puedes comparar la diferencia de esta bebida con un
jugo de la misma fruta.
Alguna vez te has preguntado ¿Qué diferencia al jugo del agua saborizada? ¿Por
qué tienes en cuenta la cantidad de sal que le pones a una ensalada? ¿Cuáles
son las ventajas que tiene en el campo de la farmacología, dosificar las cantidades
de productos para elaborar un medicamento?
Cuando preparamos una taza de café endulzado puede contener mucha o poca
azúcar y tal vez no es significativo conocer exactamente cuánto soluto disuelto
contiene la disolución. Sin embargo, existen aplicaciones y ramas de la ciencia en
donde se requiere expresar de una manera numérica muy exacta y precisa la
cantidad de soluto disuelto en cierta cantidad de disolución. Un ejemplo son los
casos de medicamentos o en disoluciones empleadas en industrias. En estos
contextos, una imprecisión en la concentración de la disolución empleada, puede
ocasionar resultados no deseados.
En la prevención de las caries dentales, los dentífricos deben contener una parte
por millón de flúor, una concentración mayor puede provocar la aparición de
manchas color café - rojizas en los dientes y una menor, la aparición de las caries.
En medicina se utiliza una disolución de nitrato de plata al 75 % en masa para el
tratamiento de granulomas o masas de tejido inflamado una concentración
diferente puede interferir en el tratamiento.
Por eso es preciso conocer e interpretar la concentración de una disolución. La
concentración de una disolución es la relación existente entre la cantidad de
soluto con respecto al disolvente o disolución.
De manera general la concentración de la disolución se determina como:
Las formas más utilizadas para expresar cuantitativamente la concentración de
una disolución son las expresiones del porcentaje en masa -masa (% m/m) o en
volumen – volumen (% v/v)
85
2.2.2.1 Masa-masa
Como se mencionó anteriormente una forma de determinar la concentración de
una disolución es a partir de la concentración porcentual. El término
concentración porcentual significa “partes de soluto por 100 partes de
disolución”
El porcentaje en masa indica el número de gramos de soluto en una masa dada
de disolución y se expresa como:
La concentración también se puede representar como
Es importante que tengas presente que la masa de la disolución se compone tanto
del soluto como del disolvente
masa de disolución = masa de soluto + masa de disolvente
Ahora resolvamos algunos ejercicios, si se prepara una disolución con 10 g de KCl
y 40 g de agua ¿Cuál es la concentración de la disolución?
Para resolver el problema anterior primero debes de identificar al soluto y el
disolvente presentes en la disolución. Así tenemos que el soluto son 10 g de KCl
y el disolvente son 40 g de agua.
Para conocer la masa de la disolución tenemos que sumar las masas de los
componentes:
masa de disolución = masa de soluto + masa de disolvente
masa de disolución = 10 g de KCl + 40 g de agua
masa de disolución = 50 g
Ahora calculemos la concentración de la disolución, para ello conocemos que:
86
Sabemos que el soluto son 10 g de KCl y la masa de la disolución son 50 g, al
sustituir los valores tenemos
Analicemos otro problema
Se mezclaron 25 g de glucosacon suficiente agua para preparar 500 g de
disoluciónglucosada, ¿Cuál es la concentración en % masa de la disolución
preparada?
Primero debemos de identificar la información proporcionada en el problema del
cual identificamos que la masa de soluto es 25 g glucosa y la masa de
disolución preparada fue de 500 g
Recordemos que el % masa se determina con la siguiente fórmula
Sustituyendo los valores tenemos que:
La concentración es del 5% esto significa que hay 5 g de glucosa en cada 100 g
de la disolución glucosada
2.2.2.2 Volumen-volumen
Debido a que los volúmenes de los líquidos o gases pueden medirse con facilidad.
La concentración de su disolución se expresa mediante el porcentaje en volumen
como se indica a continuación:
También se puede representar como
87
Resolvamos un ejercicio ¿Cuál es el % volumen de una disolución que contiene
25 mL de alcohol en 100 mL de disolución?
Analizando el problema anterior identificamos que el volumen del soluto son 25
mL de alcohol y también nos indican que el volumen de la disolución es de 100
mL. Por lo tanto, para determinar el % volumen tenemos que:
Ejercicio 2.12
Resuelve los siguientes ejercicios sobre concentración porcentual
1. ¿Cuál es el % masa de una disolución de 1800 g de agua de Jamaica, si se le
agregaron 120 g de azúcar?
2. Calcula la concentración % m/m de una disolución que se preparó disolviendo 5
g de cloruro de sodio en 50 g de agua.
3. Calcula la concentración % v/v de una disolución que se preparó disolviendo 5
mL de etanol en suficiente agua para obtener 98 mL de disolución.
4. El blanqueador comercial se fabrica empleando hipoclorito de sodio (NaClO). El
producto comercial contiene hipoclorito de sodio al 6% m/m, ¿Cuál fue la masa
de hipoclorito agregada si se prepararon 1500 g de disolución?
5. En una industria de alimentos se debe preparar un jarabe para la fruta en
almíbar al 35% m/m. Si el técnico encargado de realizar esta actividad disolvió
un saco 45 kg de azúcar en suficiente agua ¿Qué cantidad de jarabe fue
preparado?
2.3 Contaminación del agua
La calidad del agua ha sido un factor decisivo para el bienestar y desarrollo del
humano. Diversas enfermedades y epidemias se han propagado en diferentes
momentos de la historia a través del agua potable.
Las propiedades físicas y químicas del agua que revisamos anteriormente en el
apartado 2.1.3, así como la exposición que tiene a distintas fuentes de
contaminantes tanto en la naturaleza como por los usos que le damos los
humanos, promueven que su calidad se comprometa. Cuando hablamos de la
contaminación del agua nos referimos a la introducción de cualquier agente ya sea
químico, físico o biológico cuya presencia o acumulación ocasiona graves riesgos
a la salud del ambiente, los animales y las personas.
88
Las actividades que realizamos cotidianamente pueden provocar la contaminación
del agua, en la figura 2.9 se muestran algunos factores que pueden afectar la
calidad del agua.
En las siguientes secciones veremos los principales contaminantes del agua y
dado que estos agentes pueden provenir de diferentes fuentes es necesario
revisar algunas de ellas
2.3.1 Principales contaminantes
Existen muchas fuentes de contaminación del agua, tanto naturales como
humanas, en muchas ocasiones la escasa o poca disponibilidad del recurso hace
que las personas utilicen fuentes de agua de baja calidad tanto para beber como
para la irrigación de hortalizas y otras plantas de consumo directo.
En la actualidad siguen existiendo enfermedades bacterianas y virales causadas
por el agua contaminada, entre estos agentes infecciosos se encuentra el cólera y
la poliomielitis. Sin embargo, la principal preocupación sobre la seguridad y calidad
del agua es por la presencia de contaminantes químicos ya que se incluyen
compuestos inorgánicos, orgánicos, metales pesados, radionúclidos que tienen
sus orígenes en fuentes industriales, agrícolas y domiciliarias.
En la tabla 2.3 se muestran los principales contaminantes del agua, así como el
impacto que producen.
89
Tabla 2.3. Contaminantes del agua y su impacto en la salud y en el ambiente.
Tipo de contaminante Impacto
Elementos traza Salud, biota acuática, toxicidad
Metales pesados Salud, biota acuática, toxicidad
Metales enlazados orgánicamente Transporte de metales
Radionúclidos Toxicidad
Contaminantes inorgánicos Toxicidad, biota acuática
Asbesto Salud humana
Nutrientes de algas Eutrofización
Sustancias que cambian pH y salinidad Calidad de agua, vida acuática
Contaminantes orgánicos traza Toxicidad
Medicamentos Calidad de agua, vida acuática
Anticonceptivos Posibles efectos biológicos
Bifenilos policlorados Posibles efectos biológicos
Plaguicidas Toxicidad, biota acuática, fauna
Residuos del petróleo Efectos en la fauna, contaminación
visual
Residuos humanos y animales
(alcantarillado)
Calidad del agua, niveles de oxígeno
Patógenos Efectos en la salud
Detergentes Eutrofización, fauna, contaminación
visual
Compuestos carcinógenos Incidencia de cáncer
Sedimentos Calidad de agua, vida acuática
Sustancias que le dan sabor, olor y
color
Calidad de agua, vida acuática,
contaminación visual
Tomado de: Manahan (2007). Introducción a la Química Ambiental.
En la tabla 2.4 se listan algunos ejemplos de las diferentes sustancias para cada
categoría de contaminantes.
Tabla 2.4. Ejemplo de agentes contaminantes en cada categoría.
Elementos traza
Ar, Be, Bo, Cu, Cr, F, Fe, Mn, Hg, Mo,
Pb, Y, Se, Zn
Metales pesados
Cd, Pb, Hg
Sustancias inorgánicas Detergentes y jabones
90
Cianuros, Amoniaco, ácido sulfhídrico,
dióxido de carbono, Nitritos, Sulfitos,
Percloratos, Fosfatos
Sales de ácidos grasos, aceites y
grasas, dodecilsulfato de sodio,
undecabencensulfato de sodio,
polietoxilato de nonilfenol, polietoxilato
de 1,1,3,3-tetrametilfenol.
Productos farmacéuticos y
bactericidas
Benzafibrato, Ácido clofíbrico,
diclorofenac, carbamazepina,
primidona, triclosán.
Contaminantes orgánicos
Metilterc-butil éter, ácido perfluoro-
octano sulfónico, ácido
perfluorohexanóico, tetrabromobisfenol,
2,2’,4,4’-tetrabromodifenil éter,
decabromodifenil éter.
Plaguicidas
DDT, DDE, aldrín, dieldrín,
Clorobenzilato, Clordimeform, safrol,
Clordecone, cloranil, 2,3,4,5-
Bistetrahidro2-furaldehído, metoxicloro,
clordano, endrín, heptacloro, tocafeno,
lindano, metil paratión, clopirifos,
diazinona, azinfos-metilo, malatión,
ácido carbámico, carbofurano,
pirimicarb, carbarilo.
Detergentes y jabones
Sales de ácidos grasos, aceites y
grasas, dodecilsulfato de sodio,
undecabencensulfato de sodio,
polietoxilato de nonilfenol, polietoxilato
de 1,1,3,3-tetrametilfenol.
Productos farmacéuticos y
bactericidas
Benzafibrato, Ácido clofíbrico,
diclorofenac, carbamazepina,
primidona, triclosán.
Contaminantes orgánicos
Metilterc-butil éter, ácido perfluoro-
octano sulfónico, ácido
perfluorohexanóico, tetrabromobisfenol,
2,2’,4,4’-tetrabromodifenil éter,
decabromodifenil éter.
2.3.2 Fuentes generadoras: industrial, urbana y agrícola
Como hemos visto la contaminación del agua es un grave problema que
actualmente estamos enfrentando. La contaminación puede provenir de fuentes
naturales o de las actividades humanas. Siendo estas últimas las que generan
mayor alteración en la calidad del agua, como resultado de la gran cantidad de
actividades que generan residuos e involucran el agua. Dentro de estas
actividades podemos mencionar la higiene personal, la limpieza del hogar, las
descargas sanitarias, las descargas industriales, transportación marítima,
91
agricultura, extracción del petróleo, etc.
Algunas de las fuentes de contaminación del agua son naturales (biogénicas)
Por ejemplo cuando el agua atraviesa diversos terrenos éstos pueden contener
componentes de origen natural procedentes del contacto con la atmósfera y el
suelo (Ej. Sales minerales, calcio, magnesio, hierro, mercurio que se encuentra de
forma natural, etc.). Aunque este tipo de sustancias pueden llegar a ser dañinas
para la salud, en general las concentraciones de estas sustancias son muy
pequeñas y no provocan una contaminación alarmante. Este tipo de aguas
contaminadas se pueden tratar fácilmente, y eliminar los contaminantes.
A diferencia de la contaminación por fuentes naturales la contaminación
producida como consecuencia de las actividades humanas (antropogénicas),
se concentra en zonas concretas, además, el desarrollo industrial ha provocado la
presencia de ciertos componentes que son peligrosos para el ambiente y los
organismos.
Podemos considerar cuatro fuentes principales de contaminación antropogénica:
La principal fuente de contaminación del agua es la agricultura. Cuando los
agricultores utilizan cantidades excesivas de fertilizantes y plaguicidas en tierras
planas y laderas, así como la mala disposición de sus envases son un problema
ya que producen liberan pesticidas, fertilizantes y restos orgánicos de animales y
plantas que contaminan el agua.
En segundo lugar, se tienen a las industrias debido a que la mayoría de los
desechos industriales son descargados a las corrientes de agua más cercanas.
Dependiendo de cada industria se producen distintos tipos de residuos, por
ejemplo, la industria minera puede liberar metales pesados, sólidos en
suspensión. La de construcción emite metales y provoca cambios en el pH del
agua. Por su parte, la siderurgia produce metales disueltos, ácidos y bases. Otras
industrias altamente contaminantes son la textil y de la piel que pueden producir
residuos de sulfuros, disolventes orgánicos, colorantes, etc. Como podrás notar la
industria libera una gran diversidad de contaminantes que contaminan el agua y
tiene impacto en el ambiente.
La tercera fuente de contaminación son las actividades domésticas que
producen principalmente residuos orgánicos. Sin embargo, cuando llueve al
alcantarillado se arrastran además todo tipo de sustancias: emisiones de los
automóviles (hidrocarburos, plomo, otros metales, etc.), sales, ácidos, residuos
sólidos etc., que utilizamos en nuestras actividades cotidianas y abandonamos en
92
las calles.
La cuarta fuente de contaminación del agua es la industria petroquímica. El
vertido de petróleo (residuos peligrosos, derrames de hidrocarburos, fugas en
líneas de conducción), accidentales o no, provocan importantes daños ecológicos
a los ecosistemas acuáticos teniendo repercusiones en la salud de la población e
imposibilita el uso del agua.
Ejercicio 2.13
Para sintetizar lo visto sobre la contaminación del agua contesta las siguientes
preguntas
1. ¿Cuál es el criterio para decir que el agua se encuentra contaminada?
2. ¿Qué efecto tienen las descargas de productos para el hogar como detergentes
y jabones en la calidad del agua?
3. Describe tres actividades humanas que contaminan el agua
4. Menciona cuatro tipos de contaminantes que afectan la calidad del agua
5. Sugiere algunas estrategias que podemos realizar cotidianamente para reducir
la contaminación del agua.
2.3.3 Métodos de separación
Aprendimos que la mayor parte de la materia se presenta mezclada en la
naturaleza y que las propiedades de estas mezclas dependen de la composición
que presenten, algunas veces podemos ver o suponer los componentes que
contiene una mezcla, pero para conocer más sobre sus características y saber
exactamente cuáles son sus componentes. Es necesario separar las sustancias
que las constituyen.
Debido a que las sustancias de una mezcla están unidas físicamente, para
separarlas se utilizan métodos físicos que se basan en la diferencia de
propiedades físicas de cada una de las sustancias que constituyen la mezcla y
no alteran las propiedades de los componentes. Por ejemplo, una mezcla de arena
y hierro se puede separar considerando las propiedades físicas particulares de
cada una de las sustancias involucradas en esta mezcla.
En la figura 2.10 se observa que la limadura de hierro se puede separar de la
arena utilizando un imán debido a que una propiedad física que presenta la
limadura de hierro es su ferromagnetismo esto es que el hierro, tiene propiedades
magnéticas. A este método de separación se le conoce como imantación.
93
Las mezclas heterogéneas compuestas
de sólidos y líquidos se pueden separar
con facilidad mediante filtración. La
filtración es una técnica que usa una
barrera porosa para separar un sólido de
un líquido. En la figura 2.11 se muestra
la separación de arena y agua en donde
la mezcla se vierte a través de un papel
filtro. El líquido pasa a través del filtro y
los sólidos quedan atrapados en el papel.
94
Algunas de las mezclas
homogéneas se pueden
separar por destilación. La
destilación es un método
de separación que se basa
en las diferencias de los
puntos de ebullición de las
sustancias involucradas en
nuestra mezcla (ver figura
2.12). En la destilación una
mezcla se calienta hasta
que la sustancia que tiene el
punto de ebullición más bajo
pasa a vapor, el cual se
puede condensar y
recolectar.
La cristalización es otro método de separación que da como resultado la
formación de partículas sólidas puras de una sustancia, a partir de una disolución
que contiene dicha sustancia disuelta.
Cuando la disolución contiene la mayor
cantidad de sustancia posible, la adición de
una pequeña cantidad hace que la
sustancia disuelta se separe de la
disolución y se formen cristales sobre
alguna superficie disponible un ejemplo de
este método sería la preparación de
caramelo, cuando el agua se evapora y se
separa de la disolución azúcar – agua, y el
azúcar queda como un cristal sólido.
Durante la cristalización se forman sólidos.
La cromatografía es una técnica que
separa los componentes de una mezcla
(llamada fase móvil) que aprovecha la
95
tendencia de cada componente a desplazarse por la superficie de otro material
(llamada fase estacionaria) la separación de los componentes de una tinta es un
ejemplo de la separación por este método en donde la separación ocurre debido a
que los diferentes componentes de la tinta se extienden por el papel a diferente
rapidez (figura 2.13).
Actividad en línea
Si quieres conocer más sobre este tema y otros métodos puede consultar la
unidad de apoyo al aprendizaje sobre métodos de separación de mezclas de
B@UNAM disponible
en:http://uapas2.bunam.unam.mx/ciencias/metodo_separacion_mezclas/
Ejercicio2.14
Una profesora de química desea que sus estudiantes adquieran experiencia
usando las técnicas de separación de mezclas. Ella preparó las siguientes
mezclas, suponiendo que eres uno de sus estudiantes identifica la técnica que
utilizarías y justifica tu respuesta indicando ¿Por qué consideras que este es el
método más adecuado
Mezcla Método o métodos
de separación
utilizados
Justificación
Dos líquidos
incoloros
Un sólido no soluble
mezclado con agua
Una mezcla de sal
con agua
Una mezcla de
agua, arena y aceite
96
Una mezcla de
grava y arena
Componentes de la
tinta
Helio y oxígeno
presentes en el aire
2.4 Importancia y aplicaciones del agua para la humanidad
Debido a las implicaciones que tiene el agua cotidianamente ya que es
indispensable para los procesos ambientales y sociales por lo que es considerado
uno de los recursos naturales relacionado con el desarrollo de la vida. Puede
parecer, que el agua es muy abundante en la Tierra, pero casi toda está en forma
de agua salada y, aunque la cantidad de agua dulce debería de ser suficiente para
satisfacer las necesidades de toda la población humana (ver figura 2.14), su
distribución es irregular en el planeta y por lo tanto todos los habitantes tenemos
diferente disponibilidad de este recurso.
Como hemos visto el agua se utiliza para diversas actividades económicas como
la agricultura, la ganadería y para tantos procesos industriales o de obtención de
energía. En nuestras casa el agua es necesaria no sólo para beber sino también
para la preparación de alimentos, el cuidado de los animales domésticos, la
97
higiene personal, la atención de los enfermos, la limpieza, el lavado y la
eliminación de desechos, etc., todas estas actividades que llevamos a cabo hacen
del agua un recurso imprescindible para los seres vivos.
Aunque es un recurso muy abundante en nuestro planeta su distribución es
desigual y esto plantea una serie de problemas por ejemplo la falta de agua apta
para el consumo y del mal manejo de los desechos humanos son la principal
causa de enfermedades como: la diarrea, el cólera, la hepatitis, la polio, etc., la
mala calidad de los recursos hídricos está causando la extinción de especies de
agua dulce y una pérdida de diversidad biológica.
Como podemos observar el agua es un recurso importante; sin embargo, lo
desaprovechamos y le damos un mal uso al desperdiciarla y contaminarla sin
considerar un uso racional de este recurso impactando en la sociedad y
características del ambiente.
Actividad en línea
Para conocer más sobre el tema puedes revisar el artículo El agua como recurso
de la revista de Marissa Hiriart ¿Cómo ves? el cual se encuentra disponible en:
http://www.comoves.unam.mx/assets/revista/54/el-agua-como-recurso.pdf
98
Unidad 3. Oxígeno
Oxígeno, sustancia activa del aire
En esta unidad aprenderás la química del oxígeno como una sustancia con
propiedades oxidantes y que lo encontramos como parte del aire, esta cualidad le
permite reaccionar con muchos materiales como los metales, aprovechando este
contexto, también analizarás las reacciones de esta sustancia con los no metales.
Para continuar con el tema de reacción química también identificarás las
características de las combustiones. Decidimos que en esta unidad también se
aborde la nomenclatura de los oxidos, hidróxidos y oxácidos.
Los conceptos clave son: reacción química, óxidos, combustión, alótropos,
ciclos geoquímicos y contaminación ambiental.
3.1 Composición porcentual del aire
En la unidad pasada estudiaste algunas características del agua y su importancia
en la vida cotidiana, en esta unidad vamos a estudiar algunas características de la
atmósfera y en específico de las características del aire.
La atmósfera es un sistema extremadamente complejo. Su temperatura y presión
cambian entre límites muy amplios con la altitud. La atmósfera sufre el bombardeo
de la radiación y de las partículas con alto contenido de energía que vienen del
Sol. Toda esta energía tiene efectos químicos profundos, en especial en las zonas
más exteriores de la atmósfera. Además, a causa del campo gravitatorio de la
Tierra, los átomos y moléculas más ligeros tienden a elevarse hasta la parte
superior. Como resultados de estos factores, la composición de la atmósfera no es
uniforme.
La tabla 3.1 muestra la composición por porcentaje del aire seco cercano a nivel
del mar. Aunque hay trazas2 de muchas sustancias, el nitrógeno (N2) y el
oxígeno (O2) constituyen alrededor del 99% de la atmósfera. Los gases nobles
y el CO2 integran la mayor parte del resto.
2 Al hablar de componentes traza de una mezcla, por lo común se emplea partes por millón (ppm) como unidad de
concentración. Para el caso de los gases, una parte por millón se refiere a una unidad de volumen en 1 millón de unidades de volumen total, como te darás cuenta las trazas son cantidades muy pequeñas de un componente.
99
Tabla 3.1. Composición del aire seco cerca del nivel del mar
Componentesa Contenido %
Nitrógeno
Oxígeno
Argón
Dióxido de carbono
Neón
Helio
Metano
Criptón
Hidrógeno
Óxido de nitrógeno
Xenón
78.084
20.948
0.934
0.0355
0.0018
0.00054
0.0002
0.00011
0.00005
0.00005
0.0000087
a El ozono, dióxido de azufre, dióxido de nitrógeno, amoniaco y monóxido de
carbono están presentes como gases traza en cantidades variables.
Para conocer más acerca de la atmósfera y antes de considerar los procesos
químicos que ocurren en ella es importante que conozcas algunas de las
propiedades químicas importantes de los dos componentes principales del aire, N2
y O2.
3.1.1 Propiedades del nitrógeno
El nitrógeno en forma de molécula químicamente es no reactiva, N2, forma el
78% del volumen de la atmósfera terrestre. Las plantas y animales no pueden
usar el nitrógeno en esa forma. Los líquenes, las bacterias del suelo y las
bacterias de los nódulos de las raíces del frijol, los tréboles y otras plantas
semejantes, convierten el nitrógeno en amoníaco y compuestos con nitratos. Los
relámpagos también convierten el nitrógeno atmosférico en monóxido de nitrógeno
100
(NO). Las plantas utilizan estos sencillos compuestos del nitrógeno para elaborar
proteínas y otros compuestos nitrogenados complejos, que forman parte de la
cadena alimenticia.
Ejercicio 3.1
Describe una manera en la que el (N2) puede ser utilizado por las plantas
____________________________________________________________________
________________________________________________________________
Después de revisar la importancia del nitrógeno para las plantas, ahora vamos a
conocer más sobre este importante elemento para las plantas.
El nitrógeno fue descubierto en 1772 por el botánico escocés Daniel Rutherford.
Este científico encontró que cuando encerraba un ratón en un frasco sellado, el
animal consumía rápidamente el componente del aire que sustentaba la vida
(oxígeno) y moría, cuando se eliminaba el “el aire fijo” (CO2) del recipiente,
quedaba un “aire nocivo” que no sustentaba la combustión ni la vida. Actualmente
se conoce este gas como nitrógeno.
Si observamos la tabla 3.1 te percatarás que el nitrógeno constituye el 78% en
volumen de la atmósfera terrestre, donde está presente en forma de moléculas de
N2. Aunque el nitrógeno es un elemento clave en en los organismos vivos, los
compuestos de nitrógeno no abundan en la corteza terrestre. Los depósitos
naturales principales del nitrógeno son los de KNO3 (nitrato de potasio y
comúnmente conocido como salitre) en Chile y otras regiones desérticas de
Sudamérica.
Ejercicio 3.2
Investiga algunas de las propiedades físicas y químicas que presenta el nitrógeno
y anótalas en la tabla 3.2.
Tabla 3.2. Propiedades físicas y químicas del nitrógeno.
Propiedades físicas Propiedades químicas
101
En las propiedades físicas seguramente indagaste que el nitrógeno es un gas
incoloro, inodoro e insípido compuesto de moléculas de N2. Su punto de fusión es
de -210°C y su punto de ebullición es de -196°C.
Químicamente el nitrógeno es una molécula poco reactiva debido al fuerte triple
enlace de los átomos de nitrógeno por lo que cuando las sustancias arden
en el aire, normalmente reaccionan con el oxígeno (O2) pero no con el N2. Sin
embargo, hay elementos como el magnesio y el litio que cuando arden en aire,
también puede reaccionar con el nitrógeno para formar los compuestos llamados
nitruros.
La configuración electrónica del átomo de nitrógeno es 1s22s21p3. El elemento
exhibe todos los estados de oxidación desde +5 hasta -3, como se muestra en la
tabla 3.3. Los estados de oxidación +5, 0 y -3 son los más comunes y por lo
general los más estables. Puesto que el nitrógeno es más electronegativo que
todos los elementos excepto flúor, oxígeno y cloro, exhibe estados de oxidación
positivos sólo en combinación con estos tres elementos.
Tabla 3.3. Estados de oxidación del nitrógeno.
Estado
de
oxidación
Ejemplo Estado
de
oxidación
Ejemplo
+5 N2O5, HNO3,NO3- 0 N2
+4 NO2, N2O4 -1 NH2OH,NH2F
+3 HNO2,NO2-, NF3 -2 N2H4
102
+2 NO -3 NH3, NH4-, NH2
-
+1 N2O, H2N2O2,N2O2-
2, HNF2
Ejercicio 3.3
Busca otros posibles usos del nitrógeno y la importancia que tiene por su poca
reactividad.
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
3.1.1.1 Usos del nitrógeno
El nitrógeno elemental se obtiene en cantidades comerciales por destilación
fraccionada del aire líquido. A causa de su baja reactividad, se usan grandes
cantidades de N2 como capa gaseosa inerte para excluir el O2 durante el
procesamiento y empacado de alimentos, la manufactura de productos químicos,
la fabricación de metales y la producción de dispositivos electrónicos. el N2 líquido
se emplea como medio de enfriamiento para congelar alimentos con rapidez.
El uso mayor del N2 está en la manufactura de fertilizantes nitrogenados, los
cuales proporcionan una fuente de nitrógeno necesarios para los seres vivos, ya
que se encuentra en muchos compuestos que son imprescindibles para la vida y
que incluyen proteínas, ácidos nucleicos, vitaminas y hormonas, esta importante
aplicación del nitrógeno la revisarás más adelante.
3.1.2 Propiedades del oxígeno (Ozono)
A mediados del siglo diecisiete, los científicos reconocieron que el aire contenía un
componente asociado con la combustión y la respiración. Ese componente no fue
aislado sino hasta 1774, sin embargo, cuando Joseph Priestley descubrió el
oxígeno. Lavoisier dio posteriormente al elemento el nombre de oxígeno, que
significa “Formador de ácido”.
El oxígeno desempeña un papel importante en la química de casi todos los
demás elementos y se encuentra en combinación con otros elementos en una
103
amplia variedad de compuestos. De hecho, el oxígeno es el elemento más
abundante en términos de masa tanto en la corteza terrestre como en el cuerpo
humano. Constituye el 89% del agua en masa y el 20.9% del aire en volumen
(23% en masa). Es también el 50 % de la arena, arcilla, piedra caliza y las rocas
ígneas que componen la mayor parte de la corteza terrestre.
Ejercicio 3.4
Investiga algunas de las propiedades físicas y químicas que presenta el oxígeno y
anótalas en la tabla 3.4.
Tabla 3.4. Propiedades físicas y químicas del oxígeno.
Propiedades físicas Propiedades químicas
Seguramente al indagar sobre las propiedades del oxígeno notaste que a
temperatura ambiente el dioxígeno es un gas incoloro e inodoro. Se
condensa al estado líquido a -183°C y se congela a -218°C. Es ligeramente
soluble en agua, pero su presencia en ella para la vida marina.
La configuración electrónica del oxígeno es 1s22s21p4. Por tanto, el oxígeno puede
completar su octeto de electrones ya sea tomando dos electrones para formar el
ion óxido, O2-, o compartiendo dos electrones. En sus compuestos covalentes
tiende a formar dos enlaces: ya sea en forma de dos enlaces sencillos, como en el
H2O, o como un doble enlace, como en el formaldehído . La molécula
misma de O2 contiene un doble enlace .
104
El oxígeno se puede obtener ya sea del aire o de compuestos que lo contienen.
Casi todo el oxígeno comercial se obtiene por destilación fraccionada del aire
líquido. El punto de ebullición del O2 que indagaste es -183°C, en tanto que el del
N2, el otro componente principal del aire, es -196°C. Por tanto, cuando el aire se
calienta, el N2 se evapora y deja al O2 líquido contaminado principalmente con
pequeñas cantidades de N2 y Ar.
El oxígeno también existe en otra forma molecular llamada ozono. Las moléculas
de ozono consisten en tres átomos de oxígeno, así que su fórmula química es O3.
Aunque tanto el oxígeno “normal” (O2) como el ozono se componen
exclusivamente de átomos de oxígeno, exhiben propiedades químicas y físicas
muy diferentes. Por ejemplo, el O2 es indispensable para la vida, pero el O3 es
tóxico; el O2 es inodoro, en tanto que el O3 tiene un olor acre fuerte.
Ejercicio 3.4
1. Ahora indaga ¿cómo se les llama a las formas diferentes del mismo elemento
en el mismo estado? _________________________________________________
2. Indaga algunas de las propiedades físicas y químicas que presenta el Ozono y
anótalas en la tabla 3.5
Tabla 3.5. Propiedades físicas y químicas del Ozono.
Propiedades físicas Propiedades químicas
105
3. A continuación escribe ¿Cuáles son las principales diferencias entre el ozono y
el oxígeno?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
Te habrás percatado que las dos formas del oxígeno antes mencionadas son
ejemplos de alótropos. Los alótroposson formas diferentes del mismo
elemento en el mismo estado (en este caso, en ambas formas son gases). cerca
del 21% del aire seco se compone de moléculas de O2. El ozono (O3), está
presente en cantidades muy pequeñas en la parte superior de la atmósfera y en el
aire contaminado; también se forma a partir de O2 en descargas eléctricas, como
en las tormentas eléctricas.
Ejercicio 3.5
1. Indaga ¿Quéotros elementos de la tabla periódica presentan alótropos?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
2. Como observaste el oxígeno no es el único elemento que presenta alotropía,
escoge alguno de los elementos de tu lista anterior y busca las propiedades de
cada uno de los alótropos correspondientes.
Elemento: ________________________________________________________
nombre del
alótropo:
nombre del
alótropo:
nombre del
alótropo:
propiedades
propiedades propiedades
106
Como puedes notar los alótropos presentan diferentes propiedades entre sí y por
lo tanto diferentes aplicaciones
Ozono
Después de indagar las propiedades del ozono sabrás que el ozono es un gas
venenoso de color azul pálido con un olor irritante. La mayoría de las
personas puede detectar alrededor de 0.01 ppm3 en el aire. La exposición de 0.1 a
0.24 ppm produce dolor de cabeza, ardor en los ojos e irritación en las vías
respiratorias. La estructura de la molécula de O3 se muestra en la figura N. El
ozono se disocia fácilmente y forma átomos de oxígeno reactivos:
O3 (g) O2 (g) + O (g)
El ozono forma óxidos con muchos elementos en condiciones en las que el
oxígeno no reacciona; de hecho, oxida todos los metales comunes excepto el oro
y el platino.
En la actualidad, los usos del ozono como sustancia química industrial son
relativamente limitados. El ozono se usa en ocasiones para el tratamiento del agua
doméstica en lugar del cloro. Al igual que el cloro (Cl2), sirve para matar bacterias
y oxidación de compuestos orgánicos. El mayor uso del ozono es, sin embargo, la
preparación de productos farmacéuticos, lubricantes sintéticos y otros compuestos
orgánicos de utilidad comercial, donde el O3 se usa para romper dobles enlaces
carbono - carbono.
3 ppm es una unidad de concentración que se indica como partes por millón
107
El ozono es un componente importante de la atmósfera superior, donde sirve
como pantalla que elimina la radiación ultravioleta. De esta manera, el ozono
protege a la Tierra contra los efectos de esta radiación de alta energía. Por esta
razón, el agotamiento del ozono de la estratosfera es una preocupación científica
importante. En cambio, en la atmósfera inferior, el ozono se considera un
contaminante del aire. Es un componente importante del smog. A causa de su
poder oxidante, causa daños a los sistemas vivos y a los materiales estructurales,
en especial el hule.
Ejercicio 3.6
a) Menciona tres usos industriales del O2
b) Menciona tres usos industriales de O3
c) Explica por qué los alótropos presentan diferencias entre ellos
3.2 Reacciones del oxígeno
Como revisaste en la sección anterior el oxígeno presente en el aire es un
elemento más reactivo que el nitrógeno por lo que reacciona con muchas
sustancias para formar compuestos llamado óxidos los cuales son compuestos
formados con oxígeno y otros elementos como metales y no metales, entre las
reacciones del oxígeno se encuentra la oxidación, este tipo de reacción tiene
varias aplicaciones en la vida cotidiana, cuando vemos un clavo oxidado, la
corrosión de una pieza de hierro lo que observamos es una oxidación.
Cuando encendemos una fogata cuando tenemos frío, la estufa cuando
cocinamos o el motor del automóvil el oxígeno presente en el aire se combina con
el carbono e hidrógeno para producir dióxido de carbono, agua y calor a este tipo
de reacción se le conoce como combustión.
Como puedes ver las reacciones en las que interviene el oxígeno tienen diversas
aplicaciones en nuestra vida por lo que a continuación analizaremos la importancia
del oxígeno en las reacciones con metales y no metales,así como sus cambios
cuando están en presencia del agua y conoceremos más sobre las reacciones de
combustión.
3.2.1 Reacciones de combustión (exotérmica)
Anteriormente, al revisar las características de los metales y no metales
seguramente notaste que la electronegatividad del oxígeno sólo es inferior a la
del flúor. En consecuencia,el oxígeno exhibe estados de oxidación
108
negativosen todos los compuestos que forma excepto los que tienen flúor, OF2
y O2F2. Su estado de oxidación -2 es el más común y por tener una
electronegatividad alta el oxígeno puede participar en una gran cantidad de
reacciones, pero ¿Qué es una reacción o reacción química?
Ejercicio 3.7
1. Escribe tres procesos en los que consideres que se lleva a cabo una reacción
química
1.
2.
3.
2. Busca una definición de reacción química _________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
En tu definición seguramente encontraste que durante una reacción química una
sustancia se transforma en otra distinta. Por ejemplo, cuando se quema
hidrógeno en el aire, éste tiene un cambio químico y se produce el agua. En este
ejemplo la misma colección de átomos está presente antes y después de la
reacción. Los cambios que ocurren durante cualquier reacción sólo implican un
reacomodo de los átomos.
Después de buscar y revisar tu definición de reacción química verifica que en los
procesos que escribiste antes realmente se lleve a cabo una reacción.
En la sección 2.1.4 reacciones de síntesis y descomposición del aguavimos que
cuando se lleva a cabo una reacción siempre hay un reacomodo de los átomos
presentes lo que implica una ruptura y formación de nuevos enlaces en
consecuencia siempre se lleva a cabo un intercambio de energía este
intercambio se lleva a cabo debido a que para que para romper los enlaces es
necesario suministrar energía (se absorbe energía) y en la formación de
enlaces se libera energía
Vuelve a leer sobre las características de reacciones químicas y reflexiona sobre
cuál crees que es el motivo por el cual cuando se llevan a cabo reacciones
109
químicas hay cambios de energía _________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
Si en tu respuesta anterior escribiste que los cambios de energía que ocurren
durante una reacción química se deben al rompimiento y formación de nuevos
enlaces estás en lo correcto.
En esta misma sección también estudiaste que, así como hay una forma de
clasificar los elementos de la Tabla Periódica hay una forma de clasificar las
reacciones por el cambio de energía que ocurre cuando se lleva a cabo el
rompimiento y formación de enlaces.
Recordemos que si la cantidad de energía que se libera al formar los nuevos
enlaces es menor que la que suministró para romper los enlaces entonces la
reacción química se clasifica en endotérmica un ejemplo de este tipo de
reacciones es la electrólisis del agua ya que es necesario suministrar energía para
obtener hidrógeno y oxígeno a partir de ella.
Por otro lado, si la cantidad de energía que se libera al formar los nuevos enlaces
es mayor a la que suministró para romper los enlaces entonces la reacción
química se clasifica en exotérmica. La reacción de combustión es un ejemplo
de un proceso exotérmico en donde la energía que se desprende es en forma
de calor.
Seguramente te encuentras familiarizado con este tipo de reacción debido a que
las llevamos a cabo cuando quemamos un papel y también las utilizamos en la
vida cotidiana para cocinar, en los medios de transporte y hasta en la respiración
ya que en las reacciones de combustión interviene el oxígeno para que se lleve a
cabo. Pero ¿Qué es una reacción de combustión? y ¿Cuáles son sus
características?
Ejercicio 3.8
Para iniciar con el estudio de las reacciones de combustión Investiga las
siguientes preguntas
1. ¿Cómo se lleva a cabo la reacción de combustión? __________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
110
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
2. ¿Cuál es el papel del oxígeno en la combustión? ____________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
3. ¿Qué es un combustible? ______________________________________
__________________________________________________________________
4. ¿Que tipo de compuestos se utilizan como combustible?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
5. ¿Cuáles son los productos de la combustión? ______________________
__________________________________________________________________
Las reacciones de combustión son reacciones que desprenden gran cantidad de
energía en forma de calor al formar los nuevos enlaces de las nuevas sustancias
(productos). En la mayor parte de las reacciones de combustión interviene el O2
del aire como reactivo. En general este tipo de reacciones implican el quemado o
combustión de compuestos del carbono como loshidrocarburos(compuestos
que contienen sólo carbono e hidrógeno, como CH4 (metano) y etano C2H6).
Después de realizar el balance de energía entre los enlaces que se forman y los
que se producen, en las reacciones de combustión se desprende energía ¿Cómo
clasificarías a esta reacción por el cambio de energía?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
Cuando se queman los hidrocarburos en presencia del oxígeno (O2) del aire,
éstos reaccionan para formar dióxido de carbono (CO2), agua (H2O)4y energía
en forma de calor. El número de moléculas de O2 que se requieren en la reacción
4 Si no hay suficiente O2 presente, se produce monóxido de carbono, CO (combustión incompleta). Una
restricción mayor de O2 causa la producción de las partículas finas de carbono que llamamos hollín. La combustión completa produce CO2.
111
y el número de moléculas de CO2 y H2O que se forman dependen de la
composición del hidrocarburo. Por ejemplo, el propano, C3H8, es el combustible
utilizado en calentadores portátiles y parrillas de gas, su combustión se representa
a continuación:
C3H8 (g) + 5 O2 (g) 3 CO2 (g) + 4 H2O (l)
También la podemos representar como:
Otro ejemplo es la combustión del gas metano (CH4) cuando se utiliza para
cocinar los alimentos y para la calefacción de las casas. La ecuación de la
combustión del metano se representa como:
La gasolina, que es una mezcla de hidrocarburos líquidos, es el combustible que
proporciona energía a los automóviles y otros medios de transporte. Como te
habrás percatado las reacciones de combustión las utilizamos ampliamente en
nuestras actividades cuando quemamos una vela o el combustible de un motor,
cocinamos, nos transportamos, en las industrias o cuando respiramos.
Ejercicio 3.9
1. Representa la ecuación de la combustión de la gasolina:
2. Representa la ecuación de combustión del butano (gas presente en los
encendedores):
3. Completa las siguientes ecuaciones:
4. Indaga sobre los usos y la importancia de las reacciones de combustión en la
vida cotidiana __________________________________________________
__________________________________________________________________
112
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
Aunque la mayoría de las reacciones de combustión se llevan a acabo a partir de
hidrocarburos, la combustión también se puede llevar a cabo a partir de
compuestos que contienen átomos de oxígeno además de carbono e hidrógeno
(por ejemplo, metanol CH3OH, y glucosa C6H12O6) los cuales también producen
CO2 y H2O. Cuando comemos alimentos con almidón, los almidones se
descomponen y producen glucosa, que se oxida en las células para suministrar
energía junto con dióxido de carbono y agua. La reacción que se lleva a cabo la
podemos representar como:
Por lo tanto, podemos decir que en cada respiración que realizamos nos
proporciona oxígeno para que muchos de los compuestos que tu cuerpo utiliza
como fuente de energía, como el azúcar glucosa, C6H12O6, reaccionen de manera
análoga dentro del cuerpo para formar CO2 y H2O.
Ejercicio 3.10
1. La grasa almacenada en la joroba de un camello es una fuente tanto de energía
como de agua, si suponemos que la grasa consiste exclusivamente de tristearina,
una grasa animal que durante el metabolismo la triestarina reacciona con el
oxígeno del aire que respira. Después de leer esta información indaga y contesta
las siguientes preguntas:
2. ¿Cuál es la fórmula de la triestarina? _______________________________
__________________________________________________________________
3. El metabolismo sería una reacción de combustión ___________ ¿Por
qué?______________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
4. ¿Cuáles son los productos de esta reacción? _________________________
__________________________________________________________________
5. Escribe la ecuación de la reacción entre la triestarina y el oxígeno:
113
6. Para sintetizar lo estudiado en este apartado contesta las siguientes preguntas
a. ¿Qué es la combustión? ____________________________________________
__________________________________________________________________
b. ¿Cuál es la importancia de la combustión en tu vida cotidiana? _____________
__________________________________________________________________
c. Menciona tres ejemplos donde la utilices _______________________________
__________________________________________________________________
d. Cómo puedes ver las reacciones de combustión se les ha dado un uso
extendido en todas las actividades que realizamos diariamente, pero ¿Cuáles
crees que son las implicaciones ambientales que tienen las reacciones de
combustión?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
Actividad en línea
Si te interesa conocer más sobre este tema puedes ver el video “breve historia de
los combustibles” disponible en:
https://www.youtube.com/watch?v=wIydcOn_3kI&t=28s
3.2.2 Formación y reactividad de óxidos metálicos
Ejercicio 3.11
Para comenzar con esta sección te solicitamos que observes las imágenes de la
figura 3.1
1. Escribe algunas diferencias que percibas entre estas dos
114
sustancias_________________________________________________________
_________
__________________________________________________________________
2. ¿De dónde piensas que provengan estas diferencias?
__________________________________________________________________
3. ¿Cuáles consideras que son las razones por las que se formó el óxido de calcio
a partir del elemento calcio?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
Seguramente respondiste que el óxido de calcio se formó a partir de que el calcio
metálico se expone al aire, por lo que la superficie metálica brillante del metal se
opaca al formarse el óxido de calcio (CaO).
Pero ¿qué ocurre cuando un elemento se expone al oxígeno del aire a todos le
ocurrirá lo mismo?
Como se ha mencionado en la sección anterior el oxígeno del aire es un átomo
con alta electronegatividad y muy reactivo. Por lo que este elemento puede
reaccionar con otros elementos. Los compuestos binarios que se forman entre el
oxígeno (con estado de oxidación -2 5) y otros elementos tanto metálicos como no
metálicos, se llaman óxidos.
5 El estado de oxidación -2 del oxígeno es el más común, pero también puede formar compuestos con el
estado de oxidación de -1 llamados peróxidos o superóxido cuando presenta estado de oxidación -1/2
115
Para poder estudiar a los óxidos es necesario recordar que los elementos de la
Tabla Periódica se clasifican en metales, metaloides y no metales.
Ejercicio 3.12
1. En la siguiente Tabla Periodica ubica con diferentes colores a los metales,
metaloides y no metales y escribe los elementos de la familia 1 y familia 2
Te has preguntado si ¿todos los óxidos tendrán las mismas propiedades o
habrá diferencias entre ellos?
En esta sección se estudiarán las características de los óxidos metálicos.
Analizaremos el ejemplo inicial del calcio y el óxido de calcio.
2. Busca las propiedades físicas y químicas de cada uno de ellos anótalas en la
tabla 3.6.
Tabla 3.6. Propiedades físicas y químicas del calcio y óxido de calcio.
calcio óxido de calcio
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
3. ¿Presentan las mismas propiedades? ___________ debido a que
116
__________________________________ ¿consideras que cambiaron sus
propiedades? ______________________________________________________
4. De acuerdo con la imagen ¿Cuál es el estado de agregación del óxido de
calcio? ____________________________________________________________
5. Si comparas los puntos de fusión de ambas sustancias ¿cual presenta un
mayor punto de fusión y ebullición?
__________________________________________________________________
Otro ejemplo se presenta cuando tienes un clavo del metal hierro (Fe) (figura 3.2)
y después de un tiempo se comienza a observar un polvo rojizo sobre la superficie
(figura 3.3), esto se debe a que los clavos al igual que el calcio estuvieron en
contacto con el oxígeno de la atmósfera y cómo recordarás a este proceso se le
llama oxidación.
Si analizamos en el párrafo anterior dice que se observa un polvo rojizo después
de un tiempo, la formación de este polvo y el cambio de color nos indica que
ocurrió una ________________________________________________________
¡Exacto! cuando el hierro (Fe) está en contacto con el O2 ocurre una reacción para
formar un óxido de hierro (FeO) y una forma de identificarla es el cambio de color
rojizo del clavo que se observa después de un tiempo.
Ejercicio 3.13
1. ¿Cuál es el estado de agregación del óxido de hierro (polvo rojizo)?
__________________________________________________________________
2. Investiga el punto de fusión y ebullición de este óxido
117
_________________________________________________________________
__________________________________________________________________
3. ¿El punto de fusión y ebullición es alto o bajo respecto a un óxido no metálico
como el dióxido de carbono? __________________________________________
4. Qué crees que ocurra si ahora dejamos un trozo del metal sodio (Na) en
contacto con el oxígeno del aire
__________________________________________________________________
5. Seguramente contestaste que se formará el óxido de sodio (Na2 O) ya que este
es el metal que reaccionó con el oxígeno. ¿Cuál será el estado de agregación del
óxido de sodio? _______________________ ¿Cómo esperas que sea el punto de
fusión del óxido de sodio? ____________________________________________
6. Revisa la tabla periódica del ejercicio N y ubica en ella el calcio, el hierro y el
sodio. De acuerdo con su posición en la tabla periódica ¿cómo se clasifican estos
elementos? ________________________________________________________
7. Estos elementos al reaccionar con oxígeno formarán _____________________
Como se mencionó anteriormente muchos elementos de la Tabla Periódica
reaccionan directamente con el O2 del aire para formar óxidos, cuando los
metales se combinan con oxígeno se les clasifica como óxidos metálicos.
Algunos metales como los de la familia 16, los cuales ubicaste en la tabla anterior,
reaccionan rápidamente con el oxígeno, los demás metales reaccionan con el
oxígeno, pero con más lentitud.
Generalmente los óxidos metálicos son sólidos y los puntos de fusión y
ebullición que indagaste de los óxidos metálicos de hierro y calcio fueron altos,
¿qué otras propiedades presentan los óxidos metálicos? escribe en la tabla 3.7 las
propiedades que presentan estos óxidos.
6 Es por ello que estos metales se guardan sumergidos en aceite mineral o queroseno para impedir que
reaccionen con la atmósfera o con el agua.
118
Tabla 3.7. Propiedades físicas y químicas de los óxidos metálicos.
óxidos metálicos
Propiedades físicas
Propiedades químicas
En general podemos decir que casi todos los óxidos metálicos soncompuestos
iónicos por lo que son cristalinos, son buenos conductores del calor y la
electricidad, y por eso es habitual que se utilicen para este propósito. Además,
tienden a disolverse en ácidos fuertes y son alta o medianamentesolubles en
agua formando hidróxidos.
Ahora veamos cómo se llevan a cabo las reacciones de los metales con el O2 para
formar los óxidos metálicos. En estas reacciones el metal cede electrones al
oxígeno, formando un compuesto iónico del ion metálico y el ion óxido.
Retomemos el ejemplo del calcio expuesto al aire, para representar esta reacción
hay que considerar el elemento que se encuentra en contacto con el oxígeno y el
producto que se formaría en este ejemplo es el calcio por lo que podemos escribir
calcio más oxígeno produce óxido de calcio
ó
calcio + oxígeno óxido de calcio
Esta ecuación química se puede representar utilizando los modelos de Dalton
como se muestra la figura 3.4.
119
O a través de una representación simbólica como las siguiente:
Recuerda que en una ecuación química la cantidad de átomos que se encuentran
en los reactivos debe ser igual al número de átomos que se encuentran en los
productos a este proceso se llama balanceo.
Ejercicio 3.14
Ahora analiza la representación que hicimos, con los modelos de Dalton, de la
reacción de síntesis del óxido de calcio y contesta las siguientes preguntas:
1. ¿Cuántos átomos de calcio hay en los reactivos? ___________________
¿cuántos en los productos? ___________________________________________
2. En el caso del oxígeno ¿cuántos átomos hay en productos?
____________________________ y ¿cuántos en los reactivos?
_________________ Como ya habrás notado, la ecuación no está balanceada.
3. Para balancear la ecuación tendrás que estar consciente sobre ¿Cuántos
átomos de Ca son necesarios para que reaccionen con una molécula de O2?
_____________ ¿qué cantidad de productos se debe obtener?
4. La ecuación balanceada la puedes representar de la siguiente manera con los
modelos de Dalton:
120
O de forma simbólica como sigue:
5. Si ahora tiene sodio (Na) expuesto al oxígeno O2 del aire se formará
__________________________________________________________________
6. Representa la reacción utilizando los modelos de Dalton del Na, del O2 y del
óxido de sodio.
7. Con base en los modelos de Dalton contesta las siguientes preguntas ¿Cuántos
átomos de Na se necesitan para formar el óxido de sodio? __________ Escribe la
fórmula del óxido de sodio _________________
8. ¿Cuántos átomos de Na reaccionaron con una molécula de O2?
______________
9. ¿Cuántas unidades de Na2O se formaron? _______________________. Ahora
con los datos que tienes, escribe y balancea la ecuación de formación del óxido de
sodio.
10. Con base en el ejemplo escribe y balancea las ecuaciones de formación de los
siguientes óxidos y represéntalas con los modelos de Dalton. En la siguiente tabla,
el primer ejemplo está resuelto para que te sirva de guía.
121
Elemento Oxígeno Óxido
potasio
4K +
oxígeno
O2
óxido de
potasio
2K2O
+
magnesio + oxígeno óxido de
magnesio
+
litio + oxígeno óxido de litio
+
cobre (+1) + oxígeno óxido de
cobre(I)
122
+
aluminio + oxígeno
óxido de
aluminio
+
hierro (+3) + oxígeno óxido de
hierro(III)
+
3.2.3 Formación y reactividad de óxidos no metálicos
En la sección anterior revisamos algunas de las características de los metales al
combinarse con oxígeno, ahora revisaremos las características de los no metales
al combinarse también con este elemento. ¿Las propiedades serán iguales o
diferentes? _________________ ¿Por qué? ______________________________
En estas reacciones el no metal comparte electrones con el oxígeno, formando un
compuesto covalente. Analicemos la siguiente reacción que corresponde a una de
las etapas para la producción industrial de ácido.
En la industria de petróleo un subproducto que se obtiene es el azufre elemental,
el cual se hace reaccionar en presencia de oxígeno para obtener dióxido de
azufre.
Observa con detenimiento la figura 3.5, es una ecuación que se representa con
modelos de Dalton y de forma simbólica.
123
Como revisamos en la sección anterior, en una ecuación química la cantidad de
átomos que se encuentran en los reactivos debe ser igual al número de átomos
que se encuentran en los productos. Es evidente que del lado de los reactivos
existen 8 átomos de azufre y dos de oxígeno mientras que en los productos
existen uno de azufre y dos de oxígeno. Por lo que es necesario balancear esta
ecuación.
Ejercicio 3.15
1. En los siguientes espacios balancea la ecuación que representa la formación
del óxido de azufre(IV). Utiliza las representaciones de Dalton y simbólica.
Representación de Dalton:
Representación simbólica:
2. Con base en el ejemplo anterior escribe y balancea las ecuaciones de
formación de los siguientes óxidos no metálicos y represéntalas con los modelos
de Dalton. En la tabla, el primer ejemplo está resuelto para que te sirva de guía.
124
Elemento Oxígeno Óxido
Carbono
(+4)
C
+ oxígeno
O2
Óxido de
carbono(IV)
CO2
+
azufre (+4) + oxígeno óxido de
azufre(IV)
+
nitrógeno
(+5)
+ oxígeno óxido de
nitrógeno(V)
+
fósforo (+3) + oxígeno óxido de
fósforo(III)
+
cloro (+7) + oxígeno
óxido de
cloro(VII)
+
125
bromo (+1) + oxígeno óxido de bromo(I)
+
3. Investiga las propiedades físicas y químicas de los óxidos no metálicos y
escríbelas en el siguiente cuadro.
óxidos no metálicos
Propiedades físicas
Propiedades químicas
Los no metales forman óxidos covalentes, sus moléculas son sencillas con puntos
de fusión y ebullición bajos con respecto a los óxidos metálicos. A temperatura
ambiente están en forma de gases. Estos óxidos son reactivos y con el agua
producen oxiácidos. Justo esta característica hace que la liberación de óxidos de
no metales, como son S, N, P y C, al medio sea un problema ambiental. Ya que
producen lluvia, nieve, granizo, neblina ácida.
126
3.3 Clasificación de los compuestos en óxidos básicos, óxidos
ácidos (anhídridos), ácidos y bases
Para clasificar los óxidos en metálicos y no metálicos primero comencemos por
clasificar el elemento distinto al oxígeno como metálico o no metálico. Por ejemplo,
en ZnO el elemento Zn se encuentra localizado dentro de los elementos
nombrados metales de transición por lo que el óxido que forma es un óxido
metálico. Revisemos otro ejemplo, P2O5, el fósforo (P) es un elemento no
metálico por lo tanto el óxido formado es no metálico.
Ejercicio 3.16
1. Completa la siguiente tabla para que clasifiques los siguientes compuestos
como óxidos metálicos o no metálicos dependiendo del tipo de elemento que está
unido al oxígeno.
Óxidos Elemento Clasificación del
elemento
(metal, no metal)
Clasificación del
óxido
(metalico, no
metalico)
Na2O Na
N2O5 N
Al2O3 Al
SO2 S
Fe2O3 Fe
Por otra parte, como recordarás para poder clasificar objetos, personas,
compuestos, es necesario conocer sus características y propiedades. De forma tal
que encontremos propiedades comunes y particulares para cada grupo de ellos.
Así, otra manera para clasificar los óxidos en metálicos y no metálicos es conocer
sus características y propiedades.
2. Para lograr este objetivo te pedimos que investigues por lo menos tres
diferencias de los óxidos (metálicos y no metálicos) y completes la siguiente tabla:
127
Características y Propiedades
óxidos metálicos óxidos no metálicos
Como ahora sabes los óxidos metálicos son sólidos a temperatura ambiente y
forman hidróxidos o bases cuando se hacen reaccionar con agua, por su parte
los óxidos no metálicos son gaseosos a temperatura ambiente y al reaccionar
con agua forman disoluciones ácidas.
Como vemos un criterio para la clasificación de los óxidos resulta ser el carácter
ácido o básico de sus disoluciones, por lo que es necesario conocer las
características que presentan este tipo de disoluciones. Para ello, completa la
siguiente tabla con las principales propiedades de las disoluciones ácidas y
básicas:
Propiedades y características de disoluciones
Ácidas básicas
128
Cuando un óxido metálico reacciona con agua, se produce un hidróxido, algunas
de sus características son: pH entre 7 y 12, torna de color verde a morado el
indicador universal, sensación jabonosa al tacto, sabor amargo, reacciona con
algunos metales como el aluminio y con ácidos. Por su parte, los óxidos no
metálicos reaccionan con agua y producen oxácidos teniendo un pH entre 1 y 7,
son de sabor agrio, picantes al tacto, tornan rojo a amarillo el indicador universal,
reaccionan con un gran número de metales y con hidróxidos.
Una característica importante para distinguir un ácido de una base es su
estructura química. Las bases son compuestos que de acuerdo con Arrhenius son
capaces de liberar en disolución acuosa iones hidróxido (OH-). Por ejemplo:
NaOH, Ca(OH)2, Al(OH)3.
Los ácidos según Arrhenius son compuestos que en disolución acuosa son
capaces de liberar iones hidrógeno (H+) como el HCl, H2SO4, H3PO4.
De acuerdo con la fórmula de los compuestos clasifícalos como ácidos o bases
Fórmula Tipo de
compuesto
(ácido/base)
Fórmula Tipo de
compuesto
(ácido/base
)
Fe(OH)3 CuOH
H3AsO4 HIO4
H2SO3 Ca(OH)2
Cu(OH)2 H2MnO4
H2CrO4 NaOH
Ejercicio 3.17
1. Clasifica los siguientes compuestos como óxidos metálicos y no metálicos.
129
Compuesto Clasificación
(ox.
metálico/ox.
no metálico)
Compuesto Clasificación
(ox.
metálico/ox.
no metálico)
RbO CO2
NO2 Au2O
Fe2O3 BaO
P2O3 CrO3
NO SO2
2. Lee con atención la siguiente información e indica el tipo de óxido del que se
trate de acuerdo con la descripción.
a. En un laboratorio del CCH, un alumno tomó un elemento desconocido, lo hizo
reaccionar con oxígeno, el óxido formado lo hizo reaccionar con agua, le
adicionó indicador universal y la disolución se torno roja. ¿qué tipo de óxido se
produjo? _____________________________
b. En un experimento se hizo reaccionar un elemento con oxígeno obteniendo un
producto sólido que al colocarse en agua presenta un pH de 8.9. ¿qué tipo de
óxido se produjo? ________________________
Actividad en línea
Para conocer más sobre el tema de formación de óxidos puedes visitar:
El portal académico CCH y revisar el material oxígeno sobre los elementos
disponible en:
https://e1.portalacademico.cch.unam.mx/alumno/quimica1/u2/oxigeno_elementos/i
ntroduccion
Reacciones en tu entorno en la sección de oxidación de metales disponible en:
http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/35_las_reacciones_quimicas/curso/re_07.
html
130
3.4 Nomenclatura química
¡Qué difícil resulta entendernos y comunicarnos cuando no hablamos el mismo
idioma! y, más aún cuando los símbolos en la comunicación son distintos a los que
conocemos. Te invitamos a que leas el siguiente texto y compartas con nosotros
una pequeña reflexión sobre él: “Nie betrachtet die StudiealsVerpflichtung,
sondernals Chance, die schöneundwunderbareWelt des Wissenszudurchdringen
¿Te gusto la frase?; verdad que no es simple de entender. Para nosotros todos
estos caracteres son comunes, ya que los utilizamos en nuestro lenguaje, sin
embargo, no los comprendemos porque están ordenados y codificados de manera
distinta al español. El lenguaje en que se encuentra el enunciado es alemán y es
una célebre frase pronunciada por Albert Einstein: “Nunca consideres el estudio
como una obligación, sino como una oportunidad para penetrar en el bello y
maravilloso mundo del saber”
Y como la frase lo dice, esta es una oportunidad para entrar en el mundo del
lenguaje químico. Con él podrás escribir correctamente fórmulas y nombres de los
óxidos metálicos, óxidos no metálicos, hidróxidos y oxácidos. Así también,
emplearás los números de oxidación y los aplicarás en la escritura de las fórmulas
y nombres químicos señalados anteriormente. Esperamos que las fórmulas y
nombres de estos grupos de compuestos ya no te sean ajenos y el conocimiento
te sirva por ejemplo para identificarlos en las etiquetas de productos cotidianos
como los de limpieza, medicamentos, alimentos, etc.
La química tiene su propio lenguaje, compuesto por símbolos que son el alfabeto
químico, numerosos científicos realizaron diferentes aportaciones para
desarrollarlo y establecieron las reglas para su uso de tal forma que hoy son
universales. Así, el nombre o la fórmula de un compuesto es el mismo
independientemente del lugar o idioma empleado. Actualmente, para nombrar los
compuestos químicos se pueden utilizar dos sistemas oficiales establecidos por la
Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) llamados nomenclatura
Stock y Sistemática. Sin embargo, en muchos libros de texto te encontrarás con la
llamada nomenclatura tradicional, considerada actualmente como una
nomenclatura anticuada.
Antes de comenzar con la nomenclatura química es necesario que recuerdes
algunos conceptos para ello, investiga qué es y cómo se determina el estado o
número de oxidación de un elemento dentro de un compuesto. Escribe en este
espacio el procedimiento que puedes seguir para determinar el número de
oxidación.
131
Recuerda que el número de oxidación es indispensable para poder escribir
correctamente las fórmulas de los compuestos. Se trata de un número entero que
representa la carga que un átomo toma cuando forma un compuesto determinado.
Este valor es positivo si el átomo pierde electrones o los comparte con un átomo
más electronegativo; y será negativo cuando el átomo gane electrones, o los
comparta con un átomo que tenga tendencia a cederlos.
Resolvamos juntos el siguiente ejercicio, determinar el estado de oxidación de
cada elemento en el siguiente compuesto:
Li2SO4
Primero es necesario recordar que un compuesto debe ser eléctricamente neutro,
es decir la carga total que aportada por todos los elementos presentes debe sumar
cero.
132
Multipliquemos entonces el estado de oxidación del Li por el número de veces que
aparece el átomo para determinar la carga total que aporta el litio +1 x 2 = +2,
luego procedemos de igual forma con el oxígeno -2 x 4= -8, entonces si la suma
de las cargas de todos los átomos debe sumar cero tenemos que +2 + S -8 = 0
por lo que S = +6 y como solo hay presente un átomo de azufre entonces la carga
total es igual al estado de oxidación.
Ahora, determina los estados de oxidación de cada elemento en los siguientes
compuestos:
GeO2 ZnO CrO3
In(OH)3 In(OH)3 In(OH)3
133
3.4.1. Nomenclatura de los óxidos metálicos e hidróxidos
Ejercicio 3.18
1. En la siguiente tabla se muestra una serie de fórmulas de óxidos e hidróxidos,
así como sus nombres de acuerdo con la nomenclatura Stock actual. Analízalos y
busca cómo es que está estructurado el nombre.
Óxidos Hidróxidos
Compuesto Nombre Stock Compuesto Nombre Stock
Na2O óxido de sodio NaOH hidróxido de
sodio
MgO óxido de
magnesio
Mg(OH)2 hidróxido de
magnesio
FeO óxido de
hierro(II)
Fe(OH)2 hidróxido de
hierro(II)
Fe2O3 óxido de
hierro(III)
Fe(OH)3 hidróxido de
hierro(III)
2. ¿qué encontraste común en los nombres de los óxidos e hidróxidos? ¿qué es
diferente?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
3. Ahora fíjate en el número romano que está dentro de un paréntesis ¿de dónde
proviene y qué significa?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
134
El número de oxidación toma relevancia en la nomenclatura y en la formulación
química. Así, en el sistema de nomenclatura Stock, para nombrar un óxido
escribimos primero la palabra óxido, seguido por la preposición de y después el
nombre del metal. En caso de que el metal tenga más de un estado de oxidación
como el hierro, se debe escribir entre paréntesis y con número romano este valor.
Para el caso de los hidróxidos, se sigue un razonamiento similar. Simplemente
sustituimos la palabra óxido por hidróxido, seguido por la preposición de y el
nombre del metal. En caso de que el metal tenga más de un estado de oxidación
se debe escribir entre paréntesis y con número romano.
Óxidos metálicos Hidróxidos
Na2O óxido de sodio NaOH hidróxido de sodio
MgO óxido de magnesio Mg(OH)2 hidróxido de
magnesio
FeO óxido de hierro(II) Fe(OH)2 hidróxido de
hierro(II)
Fe2O3 óxido de hierro(III) Fe(OH)3 hidróxido de
hierro(III)
Si analizamos con detenimiento los ejemplos, entonces te estarás preguntando
¿por qué en los óxidos e hidróxidos de sodio y magnesio no se escribió el número
romano I o II entre paréntesis? En el caso donde los elementos tienen solamente
tienen un estado de oxidación, este no se debe especificar.
Ejercicio 3.19
1. Encuentra el error en las fórmulas de los siguientes compuestos, en la columna
de la derecha escribe la fórmula correcta.
135
Nombre Fórmula Fórmula correcta
óxido de cromo(VI) Cr2O3
hidróxido de
hierro(II) FeOH2
óxido de sodio NaO
hidróxido de
cobre(II) Cu2OH
óxido de platino(IV) PbO2
hidróxido de
cobalto(III) Co3OH
óxido de mercurio(II) HgO
hidróxido de cesio ScOH
óxido de hierro(III) Fe3O2
hidróxido de
magnesio Mn(OH)2
2.Aplica la nomenclatura Stock y nombra los siguientes óxidos e hidróxidos.
Fórmula Nombre Fórmula Nombre
Sc2O3 RbOH
TiO Mg(OH)2
136
VO LiOH
CrO3 Cu(OH)2
MnO Zn(OH)2
3.4.2 Nomenclatura de los óxidos no metálicos y oxácidos
Nomenclatura stock para óxidos no metálicos
De acuerdo con la IUPAC, la nomenclatura sistemática es el sistema más
recomendable para citar los óxidos no metálicos. Sin embargo, el sistema Stock,
con el cual ya te has familiarizado, es otra nomenclatura oficial de la IUPAC para
estos compuestos. Al igual que en los óxidos metálicos, el número de oxidación es
la base para nombrarlos. El nombre inicia con la palabra óxido, seguido por la
preposición de y después el nombre del no metal. Si el no metal presenta más de
un estado de oxidación, es necesario especificarlo con número romano entre
paréntesis, como se muestra en los siguientes ejemplos.
Fórmula Nombre Número de oxidación
P2O3 Óxido de fósforo(III) P +3
P2O5 Óxido de fósforo(V) P +5
SO2 Óxido de azufre(IV) S +4
137
SO3 Óxido de azufre(VI) S +6
Cl2O3 Óxido de cloro(III) Cl +3
Cl2O Óxido de cloro(I) Cl +1
Ejercicio 3.20
1. La verificación vehicular es una revisión del estado mecánico del motor de los
vehículos que circulan en la CdMx y área metropolitana del Valle de México.
Consiste en medir la emisión de los gases de combustión y que provocan
problemas ambientales o tienen consecuencias directas sobre la salud de los
humanos y animales. Escribe el nombre de los gases que se muestran en la
siguiente tabla.
Compuesto a
medir Nombre
CO Medidos como
CO + CO2 CO2
N2O
Medidos como
NO2 y
reportados
como NOx
NO
N2O3
NO2
138
N2O5
SO
Medidos como
SO2
SO2
SO3
2. A continuación, aplica las normas de la nomenclatura IUPAC – Stock y escribe
el nombre de los siguientes compuestos.
Compuesto Nombre
Br2O5
Cl2O7
N2O5
P2O5
CO
I2O3
SO3
At2O5
H2O
CO2
139
3. Encuentra y corrige los ejercicios que presentan errores en la fórmula, los
nombres pueden estar escritos en cualquiera de los tres sistemas revisados.
Compuesto Nombre Corrección
SO2 óxido de azufre(IV)
ClO2 óxido de cloro(VII)
S2O3 óxido de azufre(II)
N2O óxido de nitrógeno(III)
P2O3 óxido fósforo(V)
Nomenclatura funcional (tradicional) para los oxácidos
La IUPAC, ha desarrollado los sistemas de nomenclatura Stock y sistemática para
nombrar los oxácidos. Sin embargo, tanto la Sociedad Química Americana (ACS)
como la propia IUPAC, actualmente aceptan el uso de nombres “tradicionales”
(nomenclatura funcional). Debido a que estos nombres siguen siendo los más
comunes y ampliamente utilizados tanto en la industria como en la academia.
La nomenclatura funcional (tradicional), se caracteriza por el uso y combinación de
prefijos (HIPO y PER) y de sufijos (OSO, ICO) dependiendo del estado de
oxidación del elemento central como se muestra en la siguiente tabla.
Oxácidos Número de oxidación
del elemento central
HNO3 Ácido nítrico N +5
H3PO4 Ácido fosfórico P +5
140
HClO Ácido hipocloroso Cl +1
HClO4 Ácido perclórico Cl +7
H2SO3 Ácido sulfuroso S +4
H2SO4 Ácido sulfúrico S +6
De manera general, cuando un elemento tiene hasta cuatro números de oxidación,
el uso de los prefijos y sufijos obedece al patrón que se indica en la tabla 3.8.
Tabla 3.8. Prefijos y sufijos usados en la nomenclatura funcional.
Estado de
oxidación Prefijo Sufijo
1, 2 Hipo ito
3, 4 -------- ito
5, 6 ------- ato
7 Per Ato
Por otro lado, cuando un elemento solo tiene dos estados de oxidación, la
terminación oso, hace referencia al de menor estado de oxidación y la terminación
ico al de mayor. Si el elemento solo presenta un estado de oxidación siempre se
utilizará el sufijo ico.
Revisemos las fórmulas y los nombres para los ácidos que aparecen en la tabla
3.9.
141
Tabla 3.9. Nombres de algunos oxácidos.
Fórmula Nombre Número de
oxidación
HBrO Ácido hipo bromoso Br +1
HBrO2 Ácido bromoso Br +3
HBrO3 Ácido brómico Br +5
HBrO4 Ácido perbrómico Br +7
H2CO2 Ácido carbonoso C +2
H2CO3 Ácido carbónico C +4
En el caso de los oxácidos formados por el bromo, podemos notar que este
elemento tiene cuatro números de oxidación, por lo tanto, forma cuatro
compuestos y estos tienen fórmulas y nombres distintos.
De acuerdo con la tabla 3.9, los nombres se construyen por la combinación de los
prefijos y sufijos. Por ejemplo, el nombre del ácido en donde el Br presenta estado
de oxidación +1 (el más pequeño de los cuatro posibles estados de oxidación)
inicia con la palabraácido, seguida del prefijo hipo más el nombre del elemento
142
no metálicoseguido del sufijo oso.
Ejercicio 3.21
1. Ahora tú explica cómo se construyen los nombres para los ácidos del carbono
que se muestran en la tabla anterior.
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
2. A continuación, escribe los nombres de los siguientes oxácidos. Recuerda que
la práctica hace al maestro.
Fórmula Nombre
HNO2
HNO3
H3PO3
H3PO4
HClO
HClO2
143
HClO3
HClO4
3.A continuación, escribe las fórmulas o nombres tradicionales para los siguientes
compuestos:
Nombre Fórmula
H3AsO4
Ácido arsénico
H2SO3
Ácido clórico
H2CrO4
Ácido hipocloroso
HIO4
Ácido permangánico
H2MnO4
Ácido fosforoso
144
4. Encuentra y corrige los ejercicios que presentan errores en la fórmula.
Compuesto Nombre Corrección
HClO4 ácido perclórico
HBrO3 ácido bromoso
H2SO3 ácido sulfúrico
H2PO3 ácido fosfórico
H3AsO4 ácido arsenioso
H2SO2 ácido sulfuroso
HMnO3 ácido permangánico
H3NO3 ácido nítrico
H2CrO4 ácido crómico
H2BO2 ácido bórico
5.Contesta las siguientes preguntas sobre oxácidos
a. Analiza las fórmulas de los oxácidos e indica ¿cuál es la estructura o fórmula
general que distingue a los oxácidos?
b. ¿Cuáles son los criterios que debes considerar para nombrar un oxácido de
acuerdo con la nomenclatura funcional “tradicional”?
c. De acuerdo con la nomenclatura funcional ¿cuál es el nombre que recibe el
siguiente compuesto H2CrO4?
145
3.5 Ciclos (oxígeno, nitrógeno y carbono)
El término ciclo biogeoquímico se refiere al hecho de que ciertas sustancias se
transforman en otras, pero al final de éste se vuelve a formar la sustancia que
inicialmente desencadenó todo el proceso. Las sustancias pueden partir de la
corteza terrestre, pasar a la atmósfera y llegar a los mares u océanos para que
finalmente regrese al sitio del cual partió. De acuerdo con la sustancia en cuestión
y los átomos que participan en ellas, se pueden clasificar los ciclos
biogeoquímicos en oxígeno, nitrógeno y carbono. La palabra biogeoquímico se
refiere a que en este proceso participan el suelo, oceános, la atmósfera y seres
vivos.
3.5.1 Ciclo del oxígeno
El ciclo del oxígeno está vinculado al del carbono, en este proceso los seres
humanos y las plantas juegan un papel muy importante. El oxígeno que utilizan los
seres vivos para respirar es producido por las plantas a través de la fotosíntesis.
Para los seres aerobios, durante la respiración, el oxígeno se transforma en CO2,
gaseoso que se difunde en la atmósfera, en este proceso también se produce
vapor de agua. El CO2 se convierte en carbohidratos y en el oxígeno molecular O2
en el proceso de la fotosíntesis y vuelve a comenzar. Este ciclo está muy asociado
a la respiración y a la fotosíntesis que realizan los seres vivos aerobios. En la
figura 3.6 se presenta un esquema de este ciclo.
3.5.2 Ciclo del carbono
El
146
carbono es el cuarto elemento más abundante en el Universo, después del
hidrógeno, el helio y el oxígeno. En el planeta Tierra además de encontrarlo como
sustancia elemental en yacimientos mineros también se encuentra como parte de
numerosas sustancias compuestas, por ejemplo, en la atmósfera existe como una
sustancia gaseosa conocida como óxido de carbono IV (CO2), en todos los seres
vivos que habitan la biósfera como parte de sus estructuras y sustancias
orgánicas; también se encuentra como parte de los combustibles fósiles; y en los
mares y océanos disuelto o como parte de los caparazones, conchas de
organismos vivos, así como en los corales .
De acuerdo con lo antes planteado el equilibrio entre sustancias que contiene el
carbono, es decir, el ciclo biogeoquímico del carbono resulta complejo.
El carbono predomina en la atmósfera en forma de CO2, éste es tomado por las
plantas y lo transforma en glucosa a través de la fotosíntesis, no olvides que
también se obtiene oxígeno diatómico. Revisa el ciclo del oxígeno.
Desde el punto de vista geológico, existe un ciclo entre la corteza terrestre
(litosfera), los océanos (hidrosfera) y la atmósfera. El óxido de carbono IV (CO2)
de la atmósfera, reacciona con el agua de los mares, océanos y se produce ácido
carbónico (H2CO3), el cual reacciona lentamente con el catión calcio (Ca2+) y con
el ion magnesio (Mg2+) disponibles en el agua y en la corteza terrestre,
respectivamente y formando los respectivos carbonatos (CaCO3 o MgCO3), los
cuales se sedimentan formando rocas calizas o las conchas y caparazones de
organismos marinos. Mediante un proceso lento, los sedimentos se disuelven
hasta que el carbono vuelve a formar parte de moléculas de óxido de carbono IV
(CO2) para reiniciar el ciclo. Lo mismo sucede con los organismos terrestres que
mueren, ya que al descomponerse en el suelo se libera de nuevo el CO2 y
comienza el ciclo una vez más.
3.5.2 Ciclo del nitrógeno
Otro de los elementos esenciales para la vida es el nitrógeno, el cual es necesario
para la síntesis de proteínas y el material genético de todos los seres vivos. El
nitrógeno es una molécula muy estable (N2) que se encuentra en forma gaseosa
en un porcentaje muy alto en la atmósfera, mediante reacciones químicas, ese
nitrógeno elemental (N2) se transforma en otras sustancias que el suelo va a
aprovechar.
147
Este proceso se va a realizar con ayuda de bacterias y algas que viven en
simbiosis con las plantas como las legumbres que son capaces de generar
amoniaco (NH3) nitratos (NO3)- y nitritos (NO2)
- los cuales pueden ser absorbidos
por las raíces de las plantas. La amonificación es otro proceso vital en el ciclo del
nitrógeno, consiste en que las bacterias transforman el exceso de nitrógeno en el
ion amonio (NH4+) o en el amoniaco (NH3).
Existe otro proceso por el cual el nitrógeno elemental (N2) de la atmósfera se
convierte en compuestos, para ello se necesita la energía que emana de los
relámpagos, la cual es capaz de romper el triple enlace de la molécula del
nitrógeno (N2). Una vez rotos esos enlaces, el nitrógeno reacciona con otras
sustancias para dar lugar a nuevos compuestos.
Para volver a obtener el nitrógeno elemental (N2) se lleva cabo un proceso
conocido como desnitrificación, también con la participación de ciertas bacterias
que, ante la ausencia de oxígeno, transforman los nitratos en nitrógeno elemental,
y de esta manera se completa el ciclo conocido como del nitrógeno. En la figura
3.7 se presenta un esquema de este ciclo.
148
Ejercicio 3.22
Después de revisar el tema elige la respuesta correcta:
1. La amonificación es un proceso realizado por ciertas bacterias que transforman:
A) Nitritos en nitratos
B) Nitrógeno en amoníaco
C) Amoníaco en nitritos
D) Nitratos en nitrógeno
2. La desnitrificación es un proceso realizado por ciertas bacterias que
transforman:
A) Nitritos en nitratos B) Nitrógeno en amoníaco C) Amoníaco en nitritos D) Nitratos en nitrógeno 3. Los mamíferos eliminan los desechos nitrogenados por la orina en forma de:
A) Urea B) Ácido úrico C) Amoníaco D) Aminoácidos
4. La transformación bacteriana del nitrógeno atmosférico en amoníaco se
denomina:
A) Amonificación B) Fijación C) Nitrificación D) Asimilación
5. El proceso por el cual los vegetales incorporan nitratos por las raíces se
denomina:
A) Amonificación B) Fijación C) Nitrificación D) Asimilación
149
6. ¿Qué ciclo está representado por la siguiente imagen?
A) agua B) azufre C) oxígeno D) nitrógeno
7. El oxígeno es un producto de desecho de la
A) respiración B) fotosíntesis C) transpiración D) circulación
8. En el organismo humano el oxígeno molecular reacciona para formar
A) H2O y CO2
B) carbohidratos y CO2 C) H2O y carbohidratos D) carbonoy carbohidratos
Actividad en línea
Para que conozcas más sobre los ciclos biogeoquímicos puedes consultar las
siguientes direcciones electrónicas:
http://portalacademico.cch.unam.mx/alumno/biologia2/unidad2/ciclosBiogeoqui
micos
http://www.biologia.edu.ar/ecologia/CICLOS%20BIOGEOQUIM.htm
http://uapas1.bunam.unam.mx/ciencias/ciclos_biogeoquimicos/
http://www.ciifen.org/index.php%3Foption=com_content&view=article&id=580
%253Aciclos-biogeoquimicos&catid=98%253Acontenido-
1&Itemid=131&lang=es
150
3.6 Contaminación del aire
3.6.1 Principales fuentes generadoras (industriales, urbanas y
agrícolas)
La atmósfera es un sistema complejo amenazada por diversos fenómenos
meteorológicos, biológicos, físicos y geológicos; esta característica ocasiona que
la emisión de contaminantes provoque variaciones en su composición química. El
ser humano contribuye en gran medida a la contaminación de esta mezcla
gaseosa que se conoce como atmósfera.
3.6.2 Clasificación de contaminantes
Los contaminantes de la atmósfera se clasifican en primarios y secundarios. Un
contaminante primario es una sustancia que se libera directamente en el
ambiente, causando contaminación inmediata, como, por ejemplo: óxidos de
carbono IV y II (CO2 y CO), óxido de azufre IV (SO2), metano (CH4), óxidos de
nitrógeno (NOx), amoniaco (NH3), ácido sulfhídrico (H2S) y la quema de
hidrocarburos sobre todo al usar auto o transporte público. Un contaminante
secundario se produce en la atmósfera cuando los contaminantes primarios
reaccionan con otras sustancias del aire o al interactúan entre sí, por ejemplo, el
SO2 reacciona con el O2 para formar SO3, éste último gas reacciona con el agua
para formar ácido sulfúrico (H2SO4).
Dentro de los contaminantes, también se encuentran las partículas y sustancias
sintéticas como los clorofluorocarbonos (CFC), los cuales se hicieron famosos
cuando se identificó que la capa de ozono comenzó a disminuir.
Ejercicio 3.23
1. De acuerdo con lo que has aprendido sobre los ciclos biogeoquímicos y la
contaminación del aire, reflexiona y escribe en los siguientes renglones ¿qué
acciones, tuyas, contribuyen a la contaminación del aire?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
2. Después de reflexionar la respuesta de tu anterior pregunta ¿Qué acciones
realizarías para disminuir tu contribución a la contaminación ambiental?
__________________________________________________________________
151
__________________________________________________________________
3.6.3 Impacto ambiental: efecto invernadero, cambio climático y lluvia
ácida
Efecto invernadero y cambio climático
Se le llama efecto invernadero al fenómeno en el que ciertos gases como el CO2 y
el metano (CH4), retienen parte de la energía que el suelo emite una vez que éste
la obtuvo de la radiación solar. Este fenómeno evita que la energía solar que llega
a la Tierra vuelva inmediatamente al espacio.En una atmósfera no contaminada, el
sistema climático debe estar en equilibrio, la radiación solar que llega a la Tierra
es la misma que debe salir de la misma.
Sin embargo, ciertos gases en exceso en la atmósfera como resultado de las
actividades humanas como el CO2, ozono superficial (O3), óxido de nitrógeno IV
(NO2) y los clorofluoralcanos; van a provocar un aumento en la temperatura,
debido a que estos gases acumulados frenan la pérdida de radiación infrarroja
(calor) desde la atmósfera hacia el espacio.
Una parte de esa energía se transfiere a los océanos, lo cual provoca un aumento
en la temperatura de estos, lo que implica un aumento de la temperatura global del
planeta. Como el CO2 y otros gases capturan la radiación solar de manera
semejante al vidrio de un invernadero, por ello este fenómeno se conoce como
efecto invernadero.
El vapor de agua (H2O), óxido de carbono IV (CO2), óxidos de nitrógeno (NOx),
metano (CH4), y ozono (O3) son los principales gases de efecto invernadero en la
atmósfera. Pero también hay otros gases de efecto invernadero producidos por la
actividad humana, como los halocarbonos y otras sustancias que contienen cloro y
bromo, de las que se ocupa el Protocolo de Montreal. El Protocolo de Kioto suma
además otros gases de efecto invernadero, como el hexafluoruro de azufre (SF6),
los hidrofluorocarbonos (HFC), y los perfluorocarbonos (PFC).
Actividad en línea
Para consultar más sobre efecto invernadero y cambio climático puedes consultar:
Centro Internacional para la investigación del fenómeno del niño (CIIFEN).
Efecto invernadero. 2016-2017. Fecha de consulta: 30 julio 2017.
http://www.ciifen.org/index.php?option=com_content&view=category&layout=blo
152
g&id=99&Itemid=342&lang=es
Naciones Unidas. Cambio climático. Fecha de consulta: 30 julio 2017.
http://www.un.org/es/sections/issues-depth/climate-change/index.html
Lluvia ácida
Este fenómeno surgió en Escandinavia, posteriormente en los Estados Unidos,
actualmente el problema es generalizado en todos los países
industrializados.Cuando la cantidad de CO2, NOx y SO2 aumentan en la atmósfera
se genera la lluvia ácida, ya que estos gases reaccionan con el agua para formar
sus ácidos respectivos. Recuerda que este tema lo revisaste en el apartado 3.2.3.
CO2(g) + H2O (l) H2CO3(ac)
SO2 (g) + H2O (l) H2SO3 (ac)
SO3 (g) + H2O (l) H2SO4(ac)
NO2 (g) + H2O (l) HNO3(ac) + HNO2(ac)
El pH de la lluvia oscila entre valores de 5.0 y 5.5, sin embargo, con la presencia
de los ácidos formados a partir de los gases contaminantes, el pH de la lluvia se
acidifica aún más alcanzando valores de hasta pH = 3.0. El agua de lluvia con
esos valores de pH ocasiona la muerte de flora y fauna, pues es una fuente de
contaminación del suelo, lagos y ríos, aunado al deterioro de estructuras metálicas
y de monumentos históricos hechos de materiales que reaccionan con el ácido de
la lluvia.
Ejercicio 3.24
Elige la opción correcta:
1. ¿Qué son los contaminantes primarios?
A) son lo que se emiten directamente a la atmósfera como el SO2
B) son aquellos que se forman por los procesos químicos
C) los que producen los humanos en la industria
D) los que se producen en el ambiente.
2. ¿Qué son los contaminantes secundarios?
A) son aquellos que se forman por los procesos químicos
153
B) son lo que se emiten directamente a la atmósfera
C) se forman a partir de otros contaminantes
D) son los que emiten los autos.
3. ¿Cómo influye la presencia del CO2 en el calentamiento global? Explica
4. La lluvia ácida es fruto de la emisión a la atmósfera de óxidos de:
A) carbono y nitrógeno
B) nitrógeno y silicio
C) azufre y silicio
D) silicio y azufre.
5. El efecto invernadero se debe a:
A) el incremento de la emisión de CO2 y otros gases
B) al aumento de huracanes
C) al deshielo de los polos
D) al cambio climático.
6. Son consecuencias del efecto invernadero
A) deterioro de la capa de ozono
B) desertización de las zonas polares
C) al deshielo de los polos
D) lluvia ácida.
Actividad en línea
Las siguientes páginas digtales son un apoyo para este tema, te invitamos a
consultarlos para reforzar lo que aprendiste:
http://www.rua.unam.mx/portal/recursos/ficha/2330/oxigeno-componente-activo-
del-aire
http://www.rua.unam.mx/portal/recursos/ficha/2330/oxigeno-componente-activo-
del-aire
http://www.creartest.com/hacertests-56736-Contaminacion_atmosferica.php
Recursos digitales de apoyopara elaborar mapas mentales y conceptuales
https://cacoo.com/lang/es/home
https://creately.com/
154
Bibliografía consultada
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(2da. Ed). México: Pearson Wesley.
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España: Reverté.
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(7ª ed). México: Prentince Hall.
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y cambio. Colombia: McGraw – Hill.
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Pretince Hall – Pearson.
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Story and Its Significance. StructChem, 19: 365–366. DOI 10.1007/s11224-
008-9316-9
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Estructuras de la vida. (4ª ed). México: Pearson Educación.
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