CIENCIAS_Y_TECNOLOGIA.pdf - 1\u00ba B CIENCIAS Y TECNOLOG\u00cdA achillerato F\u00edsica y Qu\u00edmica 1\u00ba Bachillerato F\u00cdSICA Y QU\u00cdMICA Ciencias y Tecnolog\u00eda

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Unformatted text preview: 1º B CIENCIAS Y TECNOLOGÍA achillerato Física y Química 1º Bachillerato FÍSICA Y QUÍMICA Ciencias y Tecnología Autores: JOSÉ HIERREZUELO MORENO EDUARDO MOLINA GONZÁLEZ CARLOS SAMPEDRO VILLASÁN VÍCTOR DEL VALLE NÚÑEZ 3ª edición © José Hierrezuelo Moreno Eduardo Molina González Carlos Sampedro Villasán Víctor del Valle Núñez Editorial Elzevir c/ Doña Lola, edificio Las Torres 29740 Torre del Mar Tfno.: 95-2545000- FAX: 95-2545225 email: [email protected] Portada: Antonio Martí Martínez Dibujos: Gabriel Ruiz Rodríguez No está permitida la reproducción total o parcial de este libro, ni su tratamiento informático, ni la transmisión de ninguna forma o por cualquier medio, ya sea electrónico, mecánico, por fotocopia, por registro u otros medios, sin el permiso previo y por escrito de los titulares del Copyright. I.S.B.N.: 978-84-88280-78-7 Depósito Legal: GR-1438-2008 Imprime: Imprenta Santa Rita, Monachil (Granada) Es posible que en cursos anteriores hayas tenido ocasión de estudiar con libros de los mismos autores y que, por lo tanto, conozcas ya el sistema de trabajo. Partimos de algunas ideas sobre la ciencia y su aprendizaje que son las que inspiran el enfoque y estructura tanto de este libro como de los anteriores. Recuerda que es muy importante que trabajes las actividades con tus compañeros de grupo, antes de hacer la puesta en común. No te limites a aceptar las ideas de tus compañeros o a esperar las del profesor. No importa que al intentar resolverlas no lo hagas correctamente o no sepas hacerlas; no has perdido el tiempo, la discusión y reflexión previa de las actividades te ayudarán a comprenderlas mejor. El símbolo seguido de un número indica la dirección de una página web que encontrarás al final del libro. Acceder a estas páginas te permitirá repasar los contenidos que estarás trabajando en esos momentos. Para estimular tu trabajo diario, se harán controles de clase periódicamente que te permitirán evaluar cómo marcha tu aprendizaje; si has tenido dificultades, no te desanimes y haz las actividades de recuperación que te ayudarán a comprender los aspectos básicos estudiados hasta ese momento, y presta también mucha atención al realizar el ejercicio de autoevaluación y su correspondiente corrección. La complejidad de este curso es superior a la del anterior, por lo que para tener éxito será necesario complementar el trabajo de clase, con un mayor esfuerzo individual en casa. Como esta asignatura es opcional, esperamos de ti un gran interés y empeño. El cálculo matemático juega un papel cada vez más importante a medida que avanzamos en el estudio de la Física y Química. No debes confiarlo al compañero o al profesor, es necesario que lo realices tú con lo que adquirirás una mayor destreza. Te pedimos que colabores en las clases expresando tus opiniones y oyendo las de los demás, que realices las actividades que proponga tu profesor o profesora a ser posible en una tarea diaria que te resultará mucho más fructífera que si quieres hacerlo todo en unos pocos días antes del examen. LOS AUTORES Capítulo 1 Contenido Unidad 1 La teoría atómica Unidad 2 La teoría del enlace químico 4 ÁTOMOS, MOLÉCULAS, IONES Átomos, moléculas, iones «El electrón es una teoría que nosotros utilizamos; tan útil resulta para comprender el funcionamiento de la naturaleza que casi podríamos decir que es un objeto real». R. P. Feynman «¿Está usted de broma Sr. Feynman?» (1985) ¿Qué trabajaremos? Empezaremos el capítulo recordando ideas y conceptos básicos estudiados en cursos anteriores, comenzando por el comportamiento de los gases, sólidos y líquidos, y siguiendo con algunos procesos físicos (cambios de estado, separaciones de mezclas...) y químicos que tuviste ocasión de conocer y realizar experimentalmente. Con ello aplicaremos las ideas fundamentales de las teorías cinético y atómicomolecular que ya conoces, a partir de las cuales nos plantearemos nuevos problemas hasta ahora no estudiados. Veremos cmo el desarrollo del concepto de átomo y conjuntamente el desarrollo inicial de la Química fue laborioso, con modelos y teorías alternativas que supusieron grandes controversias entre los miembros de la comunidad científica hasta llegar a las ideas actuales. Por último, analizaremos una nueva teoría, la del enlace químico, que profundiza sobre cómo son las uniones entre los átomos con el fin de poder explicar las características observables de las sustancias, su estado de agregación habitual, sus propiedades físicas y su comportamiento químico. 5 1. LA TEORÍA ATÓMICA 1 LA TEORÍA ATÓMICA IDEAS PRINCIPALES Relación entre presión, volumen y temperatura de un gas Leyes de las reacciones químicas Teoría atómica Ley de Avogadro Masas atómicas y moleculares Valencia Clasificación periódica Modelos atómicos Regla del octeto Niveles y subniveles de energía La Química se dedica fundamentalmente al estudio de las propiedades de las sustancias que nos rodean, la manera en que podemos aprovecharlas para mejorar nuestras condiciones de vida. Es por tanto una ciencia que se relaciona con aspectos importantes de nuestra vida diaria, nuestro bienestar, nuestra forma de vida. Pocas veces pensamos que actividades tan habituales como el hecho de cocinar los alimentos suponen la realización de reacciones químicas a veces bastante complicadas. ¿Qué podemos decir de la importancia de los plásticos, los medicamentos, los combustibles, el papel, las fibras artificiales, las bebidas, etc? Detrás de su obtención o aprovechamiento encontramos siempre procesos químicos diversos. Algunos de estos procesos pueden provocar efectos nocivos para el medio natural, pero no es menos cierto que tales efectos pueden minimizarse y, si no fuese así, tendríamos que plantearnos seriamente si realmente nos merecerá la pena mantener ciertas comodidades en nuestra forma de vivir a cambio de destruir o hacer más insano el medio en el que nos desenvolvemos. Es algo sobre lo que ya hemos discutido anteriormente, pero queremos hacerlo contando cada vez con mayor información y elementos de juicio. 6 ÁTOMOS, MOLÉCULAS, IONES 1 FENÓMENOS QUÍMICOS En los cursos anteriores has conocido distintos procesos, uno de los cuales, la reacción química, constituye el concepto central en el estudio de la Química. A.1.- Los dibujos que tienes a continuación representan procesos, o bien los aparatos o dispositivos utilizados para llevarlos a la práctica. a) Escribe el nombre y explica brevemente en qué consiste cada proceso. b) Explica si cada uno de esos procesos sirve para separar sustancias o para descomponerlas e indica en cada caso si se trata de un proceso físico o químico. Justifica tu respuesta. 2 1 4 5 Dioxígeno 3 Dioxígeno O2 6 Dihidrógeno H2 O2 Clorato de potasio KClO3 agua H 2O Llamamos cambios físicos a los que no alteran la naturaleza de las sustancias: un cambio de estado de agregación, un cambio de temperatura, el cambio de posición de un cuerpo, etc. Otras transformaciones suponen un cambio en la naturaleza de los sistemas, desapareciendo unas sustancias y apareciendo otras nuevas: son cambios químicos o reacciones químicas. Para describir los sistemas materiales utilizamos una serie de conceptos cuyo significado recordamos a continuación. Las definiciones de cada concepto se hacen desde un punto de vista macroscópico, es decir, teniendo en cuenta las propiedades que podemos observar. Sustancia pura Tiene propiedades características definidas. No puede separarse en dos o más sustancias mediante procedimientos físicos como: destilación, decantación, filtración, cristalización, calentamiento a sequedad, etc. Pueden ser simples o compuestos. 7 1. LA TEORÍA ATÓMICA Sustancia simple Por tratarse de una sustancia, tiene propiedades características definidas. No desaparece ni por calentamiento, ni por electrólisis, ni por ningún otro procedimiento, para dar lugar a la aparición de otras sustacias más simples. Sustancia compuesto Por tratarse de una sustancia, tiene propiedades características definidas. Puede desaparecer por calentamiento o electrólisis, dando lugar a la aparición de otras sustancias. Mezcla heterogénea Está formada por varias sustancias distribuidas de forma desigual. Las propiedades varían según la zona de la mezcla que se considere. La sustancia de la fotografía ¿es simple?, ¿es una sustancia compuesto? Por su apariencia externa no es posible diferenciar una sustancia simple de un compuesto. Disolución (mezcla homogénea) Está formada por varias sustancias distribuidas homogéneamente, de forma que las propiedades son las mismas en todos los puntos de la mezcla. A.2.- Clasifica cada uno de los sistemas siguientes aplicándoles los calificativos que les correspondan de los recogidos en las definiciones anteriores: azúcar, hierro, sal común, agua del grifo, coca-cola, vino, aire, acero, sangría, agua destilada. A.3.- Pon agua destilada en una placa de Petri hasta algo menos de la mitad del recipiente. Añade cuidadosamente un poco de nitrato de plomo (II), Pb(NO3)2, en un punto cercano al borde. A continuación, en un punto que se encuentre en el extremo opuesto al anterior, añade un poco de yoduro de potasio, KI. a) Observa y anota lo que ocurre. b) ¿Crees que se trata de un cambio físico o de un cambio químinitrato de plomo (II) co?, ¿por qué? c) ¿Cómo es posible que sin agitar el agua se hayan podido encontrar el nitrato de plomo (II) y el yoduro de potasio, pese a que se colocaron en extremos opuestos del recipiente? d) Haz una interpretación de lo que ha pasado en la cápsula de Petri desde que añades el nitrato de plomo (II) hasta el final. Escribe la ecuación química representativa del proceso. A.4.- En el montaje de la figura explica si los sistemas que se indican están experimentando o no una reacción química: a) El oxígeno del aire. b) La cera de la vela. c) El agua hirviendo. d) La mecha. Reacción química Es aquel proceso en el que unas sustancias desaparecen, los reactivos, mientras que aparecen otras distintas, los productos. Se sabe que son sustancias diferentes porque lo son sus propiedades características. Las sustancias que forman parte de las mezclas o de las disoluciones se pueden separar mediante procedimientos físicos como la filtración, la decantación, la destilación, etc. Sin embargo, cuando lo que se pretende es obtener una sustancia simple a partir de una sustancia compuesto, hay que realizar una reacción química pues en tal caso no se trata de separar dos sustancias, sino de destruir una sustancia y obtener otras distintas. 8 ÁTOMOS, MOLÉCULAS, IONES yoduro de potasio 2 LEYES DE LOS GASES Las especiales características de los gases dieron pie a numerosas especulaciones que iban desde la simple aceptación de que fuesen o no materia como los sólidos o los líquidos hasta que hubiese solamente un gas, el aire, que podía presentarse en formas o con atributos muy diversos, incluso que no pesaran... Si importante fue el estudio e identificación de diferentes gases y la demostración definitiva de su materialidad, el estudio del comportamiento de los gases desde un punto de vista cuantitativo tuvo una importancia decisiva para el afianzamiento de la imagen atomística de la materia y para sentar así las bases de la química moderna. Tales estudios cuantitativos llevaron a las llamadas leyes de los gases, cuyos antecedentes hay que buscar en científicos como Galileo, Torricelli, Pascal y Otto von Guericke que realizaron trabajos que permitieron establecer el concepto de presión atmosférica. Robert Boyle (1627-1691) 2.1 Ley de Boyle-Mariotte Fue el inglés Robert Boyle el primero en publicar, en 1660, los resultados de sus experiencias para estudiar cuantitativamente la compresibilidad de los gases, demostrando que la presión de una cantidad fija de gas es inversamente proporcional al volumen que ocupa, siempre y cuando se mantenga la temperatura constante. Esta relación se conoce como ley de Boyle-Mariotte porque la formulación precisa de la ley en 1676 se debe al físico francés Edmé Mariotte (1620-1684). Mediante un dispositivo como el de la figura (diferente al usado por Boyle) se comprueba que si desplazamos el émbolo de manera que disminuya el volumen aumenta la presión del gas contenido en el recipiente. Debemos asegurarnos de que no entre ni salga gas del recipiente (cantidad de gas constante) y que la temperatura no cambie. Si se hacen varias medidas de valores de volúmenes (V1, V2, ...) y los correspondientes valores de presión (P1, P2, ...) se observa que: P1V1 = P2V2 = ··· = constante (cantidad de gas y temperatura constantes) El valor de la constante anterior depende de la temperatura y de la cantidad del gas encerrado. Ley de Boyle-Mariotte: 1.1 Para cualquier cantidad de gas a temperatura constante, el producto de su presión por el volumen que ocupa es constante: PV = k A partir de esta ley se pudo dar ya una primera interpretación para la estructura de los gases, interpretación que debía respetar propiedades conocidas de los mismos, especialmente la compresibilidad y expansibilidad. Boyle ya habló en 1660 de la posibilidad de usar dos modelos para ellos, uno estático y otro cinético. Simulación de la obtención experimental de la ley de Boyle. Puede comprobarse que esta ley es independiente del tipo concreto de gas. Si se obtienen varios valores experimentales de presión y temperatura la animación puede representar gráficamente los datos. 9 1. LA TEORÍA ATÓMICA 2.2 Ley de Gay-Lussac Estudia la relación entre el volumen y la temperatura de un gas. Fue publicada en 1808 por Gay-Lussac (1778-1850), aunque debemos señalar trabajos anteriores de Amontons y de Charles (en algunos libros aparece también como ley de Charles y GayLussac). Según esa ley, si mantenemos constante la presión, los cambios de volumen que experimenta una cantidad fija de gas son directamente proporcionales a los cambios de temperatura. 1.2 Simulación de la obtención experimental de la ley de Gay-Lussac. Si se utiliza un dispositivo como el de la figura, al calentar el aire contenido en el recipiente aumenta el volumen que ocupa mientras que al enfriarlo disminuye el volumen ocupado. Eso permite tomar una serie de medidas de volúmenes a cada temperatura. Si es V0 el volumen ocupado por el gas a la temperatura de 0 ºC, se comprueba que el volumen V ocupado por esa misma cantidad de gas a otra temperatura t cualquiera se relaciona con el volumen ocupado a 0 ºC por la expresión: ( V = V0 1 + 1 t 273 ( gota de mercurio (t es la temperatura en ºC) Lo que resulta más curioso es la observación de que todos los gases se dilatan en la misma proporción, independiente del gas que se utilice, algo que no ocurre cuando las sustancias están en estado sólido o líquido. A.5.- Un gas ocupa un volumen de 2 L a 0 ºC. Calcula el volumen que ocupará a las temperaturas de –273 ºC y –300 ºC, suponiendo que la presión y la cantidad de gas se mantengan constantes. De la ecuación anterior se puede deducir la existencia de un límite inferior de temperaturas. Si representas los valores de V y t se obtiene una recta que extrapolada corta al eje de temperaturas en el valor –273 ºC que correspondería a un volumen nulo ocupado por el gas. Para temperaturas inferiores, como –300 ºC, el volumen resulta ser negativo. ¡Pero qué significa un volumen negativo! Es algo inconcebible, por lo que se postuló que no podían existir temperaturas inferiores a –273 ºC. A ese valor de la temperatura se le llamó cero absoluto, indicando con ello que no se podía sobrepasa. Hoy sabemos que esa temperatura límite es de –273,15 ºC y hasta el momento ha resultado inalcanzable. baño maría aire Dispositivo pararealizar la experiencia de Gay-Lussac. 5 V (L) 4 3 2 1 -300 -200 -100 0 100 200 300 t (ºC) El físico inglés Lord Kelvin (1824-1907) propuso una nueva escala de temperaturas cuyo origen fuese el cero absoluto y que fue llamada escala absoluta de temperaturas. En esta escala, la unidad de temperatura se denomina kelvin. La relación entre esta escala y la Celsius es: T = t + 273 T representa la temperatura en la escala absoluta y t en la escala Celsius. Si transformamos la ecuación anterior podemos escribirla como sigue: ( V = V0 1 + t T 273 + t = V0 = V0 = kT 273 273 273 ( ( ( La constante k depende de la cantidad de gas y de la presión. La expresión V = kT sólo es correcta cuando la temperatura se expresa en la escala absoluta de temperaturas o escala Kelvin. 10 ÁTOMOS, MOLÉCULAS, IONES Escalas Celsius y absoluta Ley de Gay-Lussac El volumen que ocupa un gas es directamente proporcional a su temperatura si no varía su presión: V = kT Las dos leyes que acabamos de estudiar se cumplen tanto más exactamente cuanto menor sea la presión a que está sometido el gas. A partir de aquí se definió el concepto de gas ideal como aquel gas que cumple exactamente las leyes de BoyleMariotte y de Gay-Lussac. ATENCIÓN Las leyes de los gases se aplican sólo a los gases ideales. Los gases reales se comportan como si fuesen ideales cuanto menor sea la presión y mayor sea la temperatura. 2.3 Ecuación general de los gases Teniendo en cuenta tanto la ley de Boyle-Mariotte (el volumen ocupado por un gas es inversamente proporcional a la presión) y la de Gay-Lussac (el volumen ocupado por un gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta) podemos escribir que: 1 T PV = constante P ÞV µ Þ P T V µT Vµ El valor de la constante sólo depende de la cantidad de gas. Si la cantidad de gas es fija e indicamos con los subíndices 1, 2, ..., los distintos estados en los que podemos encontrar al gas se puede escribir: 1.3 Además de la descripción de las leyes de los gases, en la sección «Laboratorio», se puede simular su estudio experimental, y se incluyen animaciones que ilustran la interpretación de las leyes con la TCM. Puedes bajar la aplicación para poder utilizarla sin necesidad de estar conectado. P1V1 P2V2 = = … = constante T1 T2 EJEMPLO El cilindro de una bomba de bicicleta tiene un volumen máximo de 200 cm3 cuando el émbolo se encuentra en el extremo del cilindro. Lo llenamos de aire a la presión de 1 atm y temperatura de 17 ºC. Cerramos la salida de aire y empujamos el émbolo hasta que el volumen se reduce a 38 cm3 siendo la temperatura en ese momento de 21 ºC. Calcula la presión a la que estará el aire en ese momento. En primer lugar hay que diferenciar claramente el valor de las variables P, V, T, que corresponde a cada estado, teniendo cuidado de expresar la temperatura en la escala absoluta o kelvin. P = 1 atm P = ? atm 3 estado 2 = V = 38 cm 3 = 0,038 L estado 1 = V = 200 cm = 0,2 L T = (17 + 273)K = 290K T = (21 + 273)K = 294K Aplicando la ecuación general de los gases perfectos se obtiene el valor de la variable desconocida: P1 V1 P2 V2 = T1 T2 1 · 0,2 P2 · 0,038 = 290 294 P2 = 5,33 atm La presión obtenida es razonable ya que ha disminuido el volumen y ha aumentado la temperatura por lo que es lógico que la presión haya aumentado. 11 1. LA TEORÍA ATÓMICA A.6.- a) Un cilindro contiene 1,75 L de aire, ejerciendo una presión sobre el émbolo de 2,5 atm a la temperatura de 20 ºC. Se desplaza el émbolo, lo que hace aumentar la presión a 3 atm sin variar apreciablemente la temperatura. ¿Qué volumen ocupará el aire contenido en el cilindro? b) Calcula la temperatura de un gas que está a 1 atm de presión y ocupa un volumen de 10 L sabiendo que momentos antes estaba a 20 ºC, ocupando un volumen de 4 L y a una presión de 2 atm. c) Una bombona rígida y hermética contiene un gas a 10 atm de presión y se calienta desde 20 a 100 ºC. ¿Cuál será el volumen y la presión a 100 ºC? d) ¿Por qué crees que los fabricantes de neumáticos recomiendan verificar la presión de los neumáticos cuando están fríos? Los gases no tienen volumen propio sino el del recipiente que los contiene. Para saber si cambia el volumen de un gas hay que analizar el tipo de recipiente. Según su comportamiento pueden ser: flexibles, semirígidos o rígidos. RECIPIENTE FLEXIBLE El volumen cambia, de forma que la presión interior del gas es igual a la presión exterior. 2.4 Interpretación de las leyes...
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