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• Nadia Coltella

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COLEGIO DE BACHILLERES DEL ESTADO DE SONORA Director General Mtro. Jorge Luis Ibarra Mendivil Director Académico Lic. Jorge Alberto Ponce Salazar Director de Administración y Finanzas Lic. Oscar Rascón Acuña Director de Planeación Dr. Jorge Ángel Gastélum Islas QUÍMICA 2 Módulo de Aprendizaje. Copyright ©, 2009 por Colegio de Bachilleres del Estado de Sonora todos los derechos reservados. Primera edición 2009. Impreso en México. DIRECCIÓN ACADÉMICA Departamento de Desarrollo Curricular Blvd. Agustín de Vildósola, Sector Sur Hermosillo, Sonora. México. C.P. 83280 Registro ISBN, en trámite. COMISIÓN ELABORADORA: EQUIPO TÉCNICO Coordinación general: Luz María Grijalva Díaz Elaboradores disciplinares: Alma Lorenia Valenzuela Chávez Matemáticas II Nydia Gabriela Estrella Química II Próspero Mendoza Yocupicio Historia de México I Diego Navarro Gil Taller de Lectura y Redacción II María del Socorro Salas Meneses Ética y Valores II María Enedina Duarte Camacho Informática II Moisés Galaz Duarte Lengua Adicional al Español II Sonia María Valle Ross Orientación Educativa II Revisión Disciplinaria: Ramón Marcos Peralta Barreras Corrección de Estilo: Antonia Sánchez Primero Supervisión Académica: Nancy Vianey Morales Luna Diseño: Joaquín Rivas Samaniego Grupo Editorial: Ana Isabel Ramírez Vásquez Bernardino Huerta Valdez Francisco Peralta Varela Joaquín Rivas Samaniego Coordinación Técnica: Claudia Lugo Peñuñuri Coordinación General: Lic. Jorge Alberto Ponce Salazar

Esta publicación se terminó de imprimir durante el mes de diciembre de 2009. Diseñada en Dirección Académica del Colegio de Bachilleres del Estado de Sonora Blvd. Agustín de Vildósola; Sector Sur. Hermosillo, Sonora, México La edición consta de 11,524 ejemplares.

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DATOS DEL ALUMNO Nombre: _______________________________________________________________ Plantel: __________________________________________________________________ Grupo: _________________ Turno: _____________ Teléfono:___________________ E-mail: _________________________________________________________________ Domicilio: ______________________________________________________________ _______________________________________________________________________

Ubicación Curricular

COMPONENTE:

HORAS SEMANALES:

CAMPO DE CONOCIMIENTO: CIENCIAS EXPERIMENTALES

CRÉDITOS:

FORMACIÓN BÁSICA

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PRELIMINARES

PRELIMINARES

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Índice Presentación ..................................................................................................................................................... 7 Mapa de asignatura .......................................................................................................................................... 8 BLOQUE 1: APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS .........................................................................................................................9 Secuencia didáctica 1. Mediciones de la materia .............................................................................................10 • Medición ......................................................................................................................................................12 • Sistema internacional de medidas .............................................................................................................12 • Ecuaciones químicas y cálculos estequiométricos ...................................................................................21 • Composición porcentual y su relación con la fórmula mínima y molecular ..............................................31 Secuencia didáctica 2. Estequiometria, economía y cuidado ambiental ..........................................................38 • Reactivo limitante ........................................................................................................................................39 • Rendimiento de una reacción.....................................................................................................................42 • Cálculos estequiométricos, economía e impacto ambiental .....................................................................47 BLOQUE 2: ACTÚA PARA DISMINUIR LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE, DEL AGUA Y DEL SUELO .................................................................................................................... 53 Secuencia didáctica 1. Contaminación: causas y efectos ................................................................................54 • Los recursos naturales de nuestro país .....................................................................................................55 • Contaminación ambiental ...........................................................................................................................58 • Contaminación del agua, aire y suelo ........................................................................................................62 • Contaminación en México ..........................................................................................................................72 Secuencia didáctica 2. Prevención y reducción de la contaminación ..............................................................76 • Agresión química a la biósfera ...................................................................................................................77 • Problemas ambientales globales ...............................................................................................................78 • Prevención de la contaminación ................................................................................................................79 BLOQUE 3: COMPRENDE LA UTILIDAD DE LOS SISTEMAS DISPERSOS ....................................... 87 Secuencia didáctica 1. Mezclas homogéneas y heterogéneas ........................................................................88 • Elemento, compuesto y mezcla .................................................................................................................90 • Métodos de separación de mezclas ..........................................................................................................92 Secuencia didáctica 2. Disolución, suspensión y coloide ................................................................................99 • Disoluciones o soluciones ........................................................................................................................100 • Clasificación de las disoluciones .............................................................................................................101 • Una visión molecular del proceso de disolución .....................................................................................102 • Factores que afectan la solubilidad .........................................................................................................103 • Concentración de las disoluciones en unidades físicas de concentración ............................................103 • Concentración de las disoluciones en unidades químicas .....................................................................108 • Suspensiones ...........................................................................................................................................115 • Coloides ....................................................................................................................................................115 • Clasificación de los coloides ....................................................................................................................116 • Propiedades de los coloides ....................................................................................................................116 Secuencia didáctica 3. Ácidos y bases............................................................................................................121 • Características de ácidos y bases ............................................................................................................. ¿? • ¿Ácido o básico? ........................................................................................................................................ ¿? • Reacción de neutralización y titulación ....................................................................................................129

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Índice

(continuación)

BLOQUE 4: VALORA LA IMPORTANCIA DE LOS COMPUESTOS DEL CARBONO EN SU ENTORNO ............................................................................................................ 133 Secuencia didáctica 1. Estructura de los compuestos del carbono .............................................................. 134 • Antecedentes de química orgánica ......................................................................................................... 136 • Configuración electrónica y estructura .................................................................................................... 141 • Tipos de cadena ...................................................................................................................................... 147 • Isomería .................................................................................................................................................... 149 Secuencia didáctica 2. Clasificación de los compuestos del carbono .......................................................... 153 • Hidrocarburos .......................................................................................................................................... 154 • Alcano ...................................................................................................................................................... 156 • Alqueno .................................................................................................................................................... 162 • Alquino ..................................................................................................................................................... 164 • Hidrocarburos aromáticos ....................................................................................................................... 166 • Concepto de grupo funcional .................................................................................................................. 171 • Alcohol...................................................................................................................................................... 173 • Ácidos carboxílicos .................................................................................................................................. 176 • Ésteres ..................................................................................................................................................... 179 • Aldehídos y cetonas ................................................................................................................................. 180 • Aminas ..................................................................................................................................................... 184 • Amidas ..................................................................................................................................................... 185 BLOQUE 5: IDENTIFICA LA IMPORTANCIA DE LAS MACROMOLÉCULAS NATURALES Y SINTÉTICAS .............................................................................................................. 191 Secuencia didáctica 1. Macromoléculas naturales ......................................................................................... 192 • Macromoléculas, monómeros y polímeros ............................................................................................. 193 • Composición química de los seres vivos ................................................................................................... ¿? • Carbohidratos .......................................................................................................................................... 194 • Lípidos ...................................................................................................................................................... 202 • Proteínas .................................................................................................................................................. 208 Secuencia didáctica 2. Macromoléculas sintéticas ........................................................................................ 216 • Clasificación de los polímeros según sus propiedades físicas .............................................................. 219 • Impacto del uso de polímeros ................................................................................................................. 221 Bibliografía........................................................................................................................................................ 223

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Presentación Este Módulo de Aprendizaje de Química 2 contiene la información necesaria para apoyarte en la construcción de tu aprendizaje, ya que está diseñado para ser una guía en el proceso de enseñanza-aprendizaje que llevarás acabo en el transcurso de tu vida como bachiller. Al adentrarte en este nuevo Módulo, encontrarás que cuenta con la descripción de las competencias que obtendrás y el cómo saber identificarlas, y algo muy importante: reconocer si se han adquirido o no mediante la autoevaluación. Aunado a los contenidos de este Módulo, las aportaciones y la guía de tu profesor(a) serán también fundamentales para ayudarte a la construcción de tu propio conocimiento, sobre todo a obtener las competencias esenciales para hacer frente a los retos que se presentarán a lo largo de tu vida. El material que tienes en tus manos, es una herramienta de suma importancia que te conviertas en una persona competente, visionaria e innovadora, características que se establecen en los objetivos de la Reforma Integral de Educación Media Superior que actualmente se esta implementando a nivel Nacional. El reto del Colegio de Bachilleres de ofrecerte material de apoyo de calidad, acorde a los nuevos tiempos, que cumplan con los objetivos de la Reforma, además de lo que los escenarios local, nacional, e internacional demandan, se ve alcanzado en este Módulo de Aprendizaje, el cual no deja de ser perfectible, pero que a la vez concentra la información y actividades que ayudarán hacer de ti la persona que nuestra sociedad necesita.

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PRELIMINARES

Química 2

Bloque 1

Bloque 2

Bloque 3

Bloque 4

Bloque 5

Aplica la noción de mol en la cuantificación de procesos químicos.

Actúa para disminuir la contaminación del aire, del agua y del suelo.

Comprende la utilidad de los sistemas dispersos.

Valora la importancia de los compuestos del carbono en su entorno.

Identifica la importancia de las macromoléculas naturales y sintéticas.

Secuencia didáctica 1. Mediciones de la materia.

Secuencia didáctica 1. Contaminación: causas y efectos.

Secuencia didáctica 1. Mezclas homogéneas y heterogéneas.

Secuencia didáctica 1. Estructura de los compuestos del carbono.

Secuencia didáctica 1. Macromoléculas naturales

Secuencia didáctica 2. Estequiometria, economía y cuidado ambiental.

Secuencia didáctica 2. Prevención y reducción de la contaminación.

Secuencia didáctica 2. Disolución, suspensión y coloide.

Secuencia didáctica 2. Clasificación de los compuestos del carbono.

Secuencia didáctica 2. Macromoléculas sintéticas.

Secuencia didáctica 3. Ácidos y bases.

Aplica la noción de mol en la cuantificación de procesos químicos. Unidad de competencia: Reconoce a la Química como parte de su vida cotidiana, tras conocer el progreso que ha tenido esta a través del tiempo y la forma en que ha empleado el método científico para resolver problemas del mundo que nos rodea, así como su relación con otras ciencias, que conjuntamente han contribuido al desarrollo de la humanidad.

Atributos a desarrollar en el bloque: Durante el presente bloque se busca desarrollar los siguientes atributos de las competencias genéricas: 3.2 Toma decisiones a partir de la valoración de las consecuencias de distintos hábitos de consumo y conductas de riesgo. 4.1 Expresa ideas y conceptos mediante representaciones lingüísticas, Matemáticas o gráficas. 5.1 Sigue instrucciones y procedimientos de manera reflexiva, comprendiendo cómo cada uno de sus pasos contribuye al alcance de un objetivo. 5.2 Ordena información de acuerdo a categorías, jerarquías y relaciones. 5.3 Identifica los sistemas y reglas o principios medulares que subyacen a una serie de fenómenos. 5.4 Construye hipótesis y Diseña y aplica modelos para probar su validez. 5.6 Utiliza las tecnologías de la información y comunicación para procesar e interpretar información. 6.1 Elige las fuentes de información más relevantes para un propósito específico y discrimina entre ellas de acuerdo a su relevancia y confiabilidad. 6.3 Reconoce los propios prejuicios, modifica sus propios puntos de vista al conocer nuevas evidencias, e integra nuevos conocimientos y perspectivas al acervo con el que cuenta. 7.1 Define metas y da seguimiento a sus procesos de construcción de conocimientos. 8.1 Propone manera de solucionar un problema y desarrolla un proyecto en equipo, definiendo un curso de acción con pasos específicos. 8.2 Aporta puntos de vista con apertura y considera los de otras personas de manera reflexiva. 8.3 Asume una actitud constructiva, congruente con los conocimientos y habilidades con los que cuenta dentro de distintos equipos de trabajo.

Tiempo asignado: 20 horas.

Secuencia didáctica 1. Mediciones de la materia. Inicio Actividad: 1 Resuelve los siguientes cuestionamientos. Escribe frases que muestren el nivel de comprensión que tienes sobre lo siguiente: Símbolo:__________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ Elemento. __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ Fórmula: __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ Compuesto: __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ Molécula: __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ Ecuación: __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________

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APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS.

Actividad: 1 (continuación) Para preparar un pastel, en las instrucciones de la caja se indica que se agregue leche a la harina: 235 mililitros de leche por cada caja de harina. Si se requiere preparar 3.5 cajas de harina. ¿Qué cantidad de leche se debe utilizar? __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________

Menciona tres propiedades que puedas medir de la materia, por ejemplo; volumen: __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________

¿Cuántos átomos de fósforo, calcio y oxígeno hay en la siguiente expresión?: 3Ca3(PO4)2 Ca _________________P _______________O ___________________.

Evaluación Actividad: 1

Producto: Cuestionario. Saberes Procedimental

Conceptual Identifica la terminología del lenguaje químico. Autoevaluación

 BLOQUE 1



Redacta definiciones. Realiza cálculos sencillos. C

MC

NC

Puntaje: Actitudinal Asume la importancia de los conocimientos previos de Química y de Matemáticas. Calificación otorgada por el docente

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Desarrollo Medición. La observación de los fenómenos de cualquier tipo, es en general incompleta, a menos que se cuente con información cuantitativa. La finalidad de la observación, comúnmente, es obtener una medida cuantitativa de los fenómenos; es decir, una relación que indique la magnitud del suceso que se está observando. Para obtener dicha información, se requiere la medición de las propiedades de la materia. Así, la medición constituye una parte importante de la rutina diaria del químico experimental. La medición es la técnica por medio de la cual se le asigna un valor numérico a una propiedad de los materiales, como resultado de una comparación de dicha propiedad con otra similar tomada como patrón, la cual se ha adoptado como unidad. El patrón que permite realizar las mediciones se conoce como unidad de medida y debe cumplir con tres condiciones básicas: ser inalterable (no puede cambiar con el tiempo ni en función de quién realice la medida), ser universal (puede ser utilizado en todos los países) y ser fácilmente reproducible. El resultado de medir es conocido como medida y al proceso de medir como medición. Al realizar una medición, se debe tener cuidado para no alterar el sistema que se observa. De todas formas, hay que considerar que siempre las medidas se obtienen con algún tipo de error, ya sea por las imperfecciones del instrumental o los errores experimentales, así como aquellos de carácter humano. Cuando una medición se concreta a través de un instrumento de medida, se habla de una medición directa. En cambio, en los casos en que no existe el instrumento adecuado porque el valor a medir es muy grande o muy pequeño, por ejemplo la distancia entre galaxias o el número de moléculas contenidas en un litro de agua, la medición se realiza a través de una variable que permite calcular otra distinta. En estos casos, se dice que la medición es indirecta.

Glosario: Medir es contar, comparar una unidad con otra, dar una valoración numérica, asignar un valor, asignar números a todos los objetos.

Sistema internacional de medidas. A cada momento. en las actividades cotidianas, se presenta la necesidad de cuantificar magnitudes, volumen de agua, cantidad de harina para preparar 50 tortillas, nivel de azúcar en sangre, presión arterial, energía que aporta un alimento, etcétera. En cada caso se ha establecido una unidad diferente para medir. Desde siempre, el hombre ha establecido distintas formas de medir. Por ejemplo, en la antigua Escocia se determinó como unidad de medida la pulgada, que correspondía al ancho de un dedo pulgar e incluso un rey llegó a definirla como el promedio del ancho de tres pulgares: un gordo, uno mediano y uno delgado. Hoy una pulgada equivale a 2.54 cm. Por otra parte, en Inglaterra la pulgada se definió en algunas ocasiones como la longitud de cuatro granos de cebada y como tres en otra. La unidad de longitud llamada pie estaba relacionada con el tamaño del pie de un hombre, pero en lugares diferentes esta unidad de medida equivalía a 10, 12, 13 e inclusive a 17 pulgadas modernas. Luego se acordó su equivalencia con 30.5 cm. Esta imprecisión y variedad de unidades generó la necesidad de unificar las medidas, ya que cada lugar tenía su propia forma de hacerlo.

¿Qué sucedía cuando había intercambios comerciales entre lugares con diferentes unidades de medida? ¿Cuál unidad era la que debería usarse?

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APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS.

Antiguas unidades. Para medir una magnitud pueden utilizarse muchas unidades. Por ejemplo, para medir masas se pueden utilizar miligramos, kilogramos, toneladas, etc. Cada país antiguamente, media en una unidad diferente, así que para unificar las unidades de medida de todos los países del mundo se creó el Sistema Internacional de medidas (S.I.). A partir de 1790, la Asamblea Nacional Francesa, hizo un encargo a la Academia Francesa de Ciencias para el desarrollo de un sistema único de unidades. El establecimiento internacional del Sistema Métrico Decimal comenzó en 1875 mediante el tratado denominado la Convención del Metro. En 1960 la 11ª Conferencia General de Pesas y Medidas estableció definitivamente el S.I., basado en 6 unidades fundamentales: metro, kilogramo, segundo, ampere, Kelvin y candela. En 1971 se agregó la séptima unidad fundamental: el mol, que hace referencia a la cantidad de sustancia.

Unidades químicas. El mol se usa cuando se habla sobre números de átomos, moléculas o iones. Los átomos, iones y las moléculas son cosas muy pequeñas. Una gota de agua del tamaño del punto al final de esta oración contendría 10 trillones de moléculas de agua. En vez de hablar de trillones de partículas, es mucho más simple usar el mol como una unidad que agrupe a esta cantidad de unidades más pequeñas. En forma cotidiana se utilizan unidades parecidas al mol y como ejemplo tenemos a la unidad docena, la cual usamos para expresar una agrupación de 12 unidades, o las unidades trío, centena, millar, etc. Mol se define como la cantidad de sustancia que contiene tantas partículas como átomos hay en exactamente 12 gramos de isótopo de carbono 12 (que son los átomos de carbono más abundantes en la Naturaleza). Pero, ¿Cuántos átomos están contenidos en 12 gramos de esos átomos de carbono?

Unidades básicas del sistema internacional de unidades. Magnitud Nombre Símbolo Longitud

Metro

M

Masa

Kilogramo

Kg

Tiempo

Segundo

S

Intensidad de corriente eléctrica Temperatura

Ampere

A

Kelvin

K

Cantidad de sustancia Intensidad luminosa

Mol

Mol

Candela

Cd

Determinado experimentalmente, la respuesta es verdaderamente asombrosa: existen 6.022 x 1023 átomos, o sea ¡602 200 000 000 000 000 000 000! átomos, es decir, ¡seiscientos dos mil doscientos trillones de átomos! De esta manera se dice que la cantidad de una sustancia que contiene 6.022 x 1023 partículas (átomos, moléculas, iones, electrones, etc.) es un mol de partículas de dicha sustancia. Este número es conocido como Número de Avogadro en honor al científico italiano Amadeo Avogadro (1776-1856). Su símbolo: NA = 6.022 x 1023 y representa a una constante física. 1 mol de cualquier sustancia o cosa, contiene 6.022 x 1023 partículas (átomos, moléculas, iones) o lo que sea a lo que se refiera. 1 mol=6.022 x 1023 partículas

Amadeo Avogadro.

De esta manera, un mol de aluminio (Al) estará formado por 6.022 x 1023 átomos de aluminio; en tanto que un mol de agua (H2O) contiene 6.022 x 1023 moléculas de agua o un mol de iones Ca++, tiene 6.022 x 1023 iones de Ca, pero a su vez se puede decir que en esa mol de Ca++, hay dos moles de carga positiva o bien, 2 x 6.022 x 1023 cargas positivas. La unidad de mol se refiere a un número fijo de “unidades” cuya identidad se debe especificar, indicando si se refiere a un mol de átomos, de moléculas o de otras partículas. Así:

BLOQUE 1

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 El helio es monoatómico: 1 mol de He = 6,022 x 1023 átomos de He  El hidrógeno es diatómico: 1 mol de H2 = 6,022 × 1023 moléculas de H2 o 2 x 6.022 x 1023 átomos de hidrógeno.  El sulfato de amonio es poliatómico: 1 mol (NH4)2SO4 = 6,022 × 1023 moléculas de (NH4)2SO4.  El ion sodio Na+1: 1 mol de ion Na+1 = 6,022 × 1023 iones de sodio. No existen instrumentos para cuantificar directamente moles de sustancia (no podemos contar una a una tantas partículas); pero sí para medir la masa. Debido a esto, lo que se cuantifica es la masa de fracciones, uno o varios moles. En la actualidad, los valores de las masas atómicas, se determinan por medio de un espectrómetro de masa o espectrógrafo de masas, el cual fue inventado por Francis William Aston en 1920.

Notación exponencial Cuando hay que manejar cifras muy grandes o muy pequeñas, con gran cantidad de ceros, es habitual emplear la notación exponencial o, lo que es lo mismo, en vez de escribir todos los ceros se expresa el número como una base elevada a un exponente. Pueden existir dos situaciones: •Cuando el exponente es positivo (10+n), la cifra equivale a escribir 1 seguido de n ceros. Por ejemplo, 102 es lo mismo que 100. •Cuando el exponente es negativo (10-n), n indica el número de ceros que anteceden al 1, considerándose como entero el primer cero y poniéndose la coma a continuación de éste. Por ejemplo 10-2 es lo mismo que 0,01.

En el espectrómetro de masas las partículas cargadas (ionizadas) inciden en un área en la que existe un campo magnético que las desvía hacia el área de detectores. El radio de curvatura depende del cociente entre carga y masa de cada partícula. La masa de la mayoría de los objetos se mide tomando como unidad el kilogramo. Así, las cantidades que resultan de esta medición son manejables; es decir, no son muy grandes ni muy pequeñas. Pero ¿Cómo utilizar el kilogramo para pesar cosas tan minúsculas como los átomos? Se obtendrían cifras extraordinariamente pequeñas. Cuando en la tabla periódica se lee masa atómica, se habla de una masa atómica relativa de los elementos, ya que se obtiene en base a una comparación con una unidad de referencia. No se puede pesar la masa del átomo individualmente; lo que se puede hacer es calcular la abundancia relativa de cada isótopo. Todos los elementos de la tabla periódica se derivan de sus isótopos que se forman en la naturaleza. Para determinar las masas atómicas de los elementos se toma como base el carbono 12 (el isótopo más abundante del carbono), al que se le asigna un valor exacto de 12. Esto quiere decir que la unidad a utilizar corresponde a la doceava parte de la masa del átomo de dicho isótopo. La unidad de referencia se llama; uma, que quiere decir unidad de masa atómica. Equivale a una doceava parte de la masa del núcleo del átomo del isótopo más abundante del carbono: el 12C. Esta unidad de masa atómica corresponde aproximadamente con la masa de un protón (o un átomo de hidrógeno) y se considera también, equivalente a la masa de un neutrón. Masa del protón =1.6726 × 10-27 Kg Masa del neutrón =1.675 X 10-27 Kg

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APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS.

1 uma = 1.67 x 10-27 kg 1 g = 6.022 x 1023 uma = 1 mol de protones = 1 mol de neutrones En el átomo de carbono se tiene una masa atómica = 12 uma, por lo que: 1mol de átomos de carbono = 6.022 x 1023 átomos de carbono = 12 x 6.022 x 1023 umas = 12 x 1g = 12g. Relación entre la masa, número de moles y átomos de un elemento.

Este resultado se puede utilizar para determinar la relación entre unidades de masa atómica y gramos. Debido a que la masa de cada átomo de C12 es exactamente 12 uma, el número de gramos equivalente a 1 uma es:

En consecuencia: 1 uma= 1.661 x 10-24 g por lo que g = 6.022 x1023 uma Este ejemplo demuestra que el número de Avogadro se puede utilizar para convertir unidades de masa atómica a masa en gramos, y viceversa. Los conceptos de número de Avogadro y masa molar, permiten efectuar conversiones entre masa y moles de átomos, entre número de átomos y masa, así como para calcular la masa de un solo átomo. Para estos cálculos se emplearán los siguientes factores multiplicadores unitarios:

Donde X representa el símbolo de un elemento.

Masa fórmula: es la suma de las masas atómicas expresada en unidades de masa atómica (uma) de los elementos indicados en la fórmula química. La fórmula H2O, por ejemplo, indica que una molécula de agua está compuesta exactamente por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Su masa fórmula es la suma de la masa del átomo de hidrógeno (1.00794 uma) multiplicado por el número de veces que aparece en la fórmula (subíndice 2) más la masa de un átomo de oxígeno (15.999 uma), por tanto, la masa fórmula del H2O es 18.01528 uma. Generalmente se expresa el valor en número entero (redondeo); así la masa fórmula del agua es 18 uma, de hecho el redondeo se puede implementar desde el dato numérico de la masa del átomo. Para calcular la masa molar de un elemento es necesario conocer su masa atómica, y para ello se utiliza la tabla periódica de los elementos. Como las masas atómicas son números fraccionarios, para facilitar su manejo se redondea el valor obtenido de la tabla periódica, al entero más próximo. Si el número está 0.0, 0.1, 0.2, 0.3 se redondea al entero inmediato inferior, si es 0.4 o 0.5 se deja como 0.5 y si es 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 se redondea al entero inmediato superior. Por ejemplo, el silicio (Si) tiene una masa atómica de 28.09 uma, por lo que se aproxima a 28 uma.

BLOQUE 1

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Fórmula

Elemento

Peso o masa atómica

Peso o masa atómica aproximada

Número de átomos

Pesos totales de cada elemento

Masa fórmula

NaOH

Na O H

22.9897 15.9994 1.00794

23 uma 16 uma 1 uma

1 1 1

23 16 1

40 uma

Al2(Cr2O7)3

Al Cr O

26.9815 51.9961 15.9994

27 uma 52 uma 16 uma

2 6 21

54 312 336

702 uma

Masa molar: es la masa en gramos de un mol de átomos, moléculas o partículas de una sustancia; se representa con las unidades de gramos sobre mol (g/mol). Para todos los elementos (excepto los que se presentan en la naturaleza como moléculas diatómicas, como H2, Cl2) la masa molar es la masa en gramos numéricamente igual al peso atómico del elemento en unidades de masa atómica. Por ejemplo, el peso atómico del Ca es 40 uma, por lo que su masa molar es 40 g/mol. Elemento Ni C Fe Cl O

Masa atómica (uma) 58.6934 12.0107 55.845 35.453 15.9994

Masa atómica (aproximada)

Masa molar (gramos)

59 12 56 35.5 16

59.00 12.00 56.00 35.50 16.00

Cantidad de átomos 6.022 x 1023 6.022 x 1023 6 .022 x 1023 6.022 x 1023 6.022 x 1023

Para obtener la masa molar en los elementos de moléculas diatómicas se debe considerar que las partículas en un mol de ese elemento están constituidas por átomos. Por ejemplo, un mol de hidrógeno (H 2) es una molécula formada por dos átomos de hidrógeno, así un mol de moléculas de H2 contiene 2 moles de átomos de hidrógeno. Por lo tanto, la masa molar de la molécula de H2 es el doble de la masa molar del átomo de hidrógeno; es decir 2 x 1 g = 2 g. Elemento

H2 Cl2

Masa atómica

Masa molar

(uma) 1 35.5

(gramos) (1 x 2)= 2 (35.5 x 2)= 71.0

Cantidad de moléculas 6.022 x 1023 6.022 x 1023

1 mol = 6.022 x 1023 partículas = masa molar (gramos)

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APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS.

Para determinar el número de moles (n) de una sustancia se tiene entonces la siguiente formula:

n = m/PM Donde: n= número de moles m= masa del elemento o compuesto en gramos PM= peso o masa del mol de átomos o de moléculas en gr/mol Con los datos conocidos hasta ahora se pueden realizar algunos cálculos, por ejemplo: a) ¿Cuántos átomos de hierro (Fe) hay en 170 gramos de hierro?

Mineral de hierro (Magnetita)

Datos: Masa atómica del hierro = 56 uma Masa de 1 mol de hierro= 56.00 g/mol 56.00 gramos de hierro  6.022 x 1023 átomos de hierro 170 gramos de hierro  x Despejando X: X = 6.022 x 1023 átomos x 170 gramos de hierro 56.00 gramos de hierro X= 1.828107 x1024 átomos de hierro existen en 170 gramos de hierro. b) El zinc (Zn) es un metal plateado que se utiliza para obtener el latón (con cobre) y para recubrir el hierro con objeto de prevenir su corrosión. ¿Cuántos gramos de Zn hay en 0.356 moles de Zn? Debido a que la masa molar (peso atómico) del Zn en de 65 g, la masa (m) del zinc en gramos está dada por: 1 mol de Zn  65 gramos de Zn 0.356 moles de Zn  X X = 0.356 mol de Zn x 65.00 gramos de Zn 1 mol de Zn X= 23.14 gramos de Zn Piezas de latón

Por fórmula m=nPM Donde m= (0.356 mol) (65 gr/mol) Un factor de conversión es una relación que se deduce de la igualdad entre las unidades. Se usa de la siguiente manera: Unidad y datos conocidos

BLOQUE 1

Unidades deseadas = Respuesta en unidades deseadas unidad de datos conocidos

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c) ¿Cuántas moles de hierro representan 25.0 g de hierro (Fe)? Masa atómica de Fe= 56 uma, Masa molar de Fe= 56.00 gramos Se utiliza el factor de conversión apropiado para obtener moles. 25 g Fe

1 mol Fe = 0.446 moles de Fe 56.00 g Fe

Aplicando la fórmula: n=m/PM 25 g Fe entonces, n dando como resultado, n= 0.446 moles de Fe 56.00g / mol Fe Volumen molar: al referirse a sustancias gaseosas resulta conveniente utilizar un término llamado volumen molar: “un mol de cualquier gas tendría el mismo volumen que un mol de otro gas en condiciones normales de temperatura y presión, también llamadas condiciones estándar TPN (0°C y 1 atm). El volumen de un gas que se comporta de manera ideal es directamente proporcional al número de partículas de gas presentes, si la temperatura y la presión se mantienen constantes. Esta relación es conocida como la Ley de Avogadro. La determinación experimental señala que bajo estas condiciones se tiene un volumen de 22.4 litros por mol de gas (22.4 l/mol). En la siguiente figura se muestra el ejemplo de un mol de argón (Ar), 1 mol de oxígeno (O 2) y un mol de nitrógeno (N2).

Volumen molar

Volumen que ocupa un mol de una sustancia. Cantidad: Masa: Número de partículas Volumen: Presión: Temperatura:

1 mol 40 g 6.022x1023

1mol 32 g 6.022x1023

1 mol 28 g 6.022x1023

22.4 l 1 atm 0°C

22.4l 1 atm 0°C

22.4l 1 atm 0°C

En el caso de sólidos y líquidos, este volumen depende de su densidad.

En cambio, el volumen molar es el mismo para cualquier gas si las condiciones de presión y temperatura son las mismas; en condiciones normales,(1 atm y 0°C) el volumen molar de un gas es de 22.4 litros.

18

APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS.

Actividad: 2 En equipo, realicen los cálculos indicados en cada cuestionamiento.

1.

Calcula la masa fórmula de cada uno de los siguientes compuestos:

a) Dióxido de azufre (SO2), uno de los responsables de la lluvia ácida

b)

2.

Ácido ascórbico o vitamina C (C6H8O6)

¿Cuál es la masa molar del mercurio (Hg) y del ozono (O3)?

Hg

O3

3. ¿Qué volumen ocupan 43 moles de CO2 en condiciones normales o estándar?

BLOQUE 1

19

Actividad: 2 (continuación) 4. ¿Cuál es la masa en gramos de un solo átomo de cada uno de los siguientes elementos: As y Ni?

5. ¿Cuál de las siguientes cantidades contiene más átomos, 1.10 gramos de átomos de hidrógeno (H) o 14.7 gramos de cromo (Cr))

6. Las feromonas son un tipo especial de compuestos secretados por las hembras de muchas especies de insectos con el fin de atraer a los machos para aparearse. Una de tantas feromonas tiene la fórmula molecular C9H38O. Normalmente, la cantidad de esta feromona secretada por un insecto hembra es alrededor de 1.0 x 10 -12 g. ¿Cuántas moléculas de feromona hay en esta cantidad?

Evaluación Actividad: 2

Producto: Ejercicios. Saberes Procedimental

Conceptual Distingue los conceptos de mol, masa fórmula, masa molar y volumen molar, así como la notación exponencial. Coevaluación

20

Puntaje: Actitudinal

Utiliza, en cálculos, los conceptos de mol, masa fórmula, masa molar, volumen molar a través de notación exponencial. C

MC

NC

Valora la importancia del mol para realizar cálculos químicos.

Calificación otorgada por el docente

APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS.

Ecuaciones químicas y cálculos estequiométricos. Las ecuaciones químicas brindan información cualitativa (tipo de átomos) y cuantitativa (cantidades de reactivos y productos). Cada símbolo y cada fórmula representan una cantidad específica de elementos y de compuestos.

Glosario:

La determinación de las cantidades de sustancia que participan en una reacción química se lleva a cabo mediante un análisis cuantitativo, haciendo uso de la estequiometría. Se llama así a la rama de la Química que estudia la medición de las cantidades de reactivos y de productos en una reacción química. Este cálculo es indispensable porque no es suficiente saber cuáles son los componentes (análisis cualitativo) de una sustancia, ya sea reactivo o producto, sino que es importante determinar en qué cantidad se les puede producir. Por ejemplo, la producción de refrescos y de la mayoría de los cosméticos debe prepararse en las cantidades exactas (cuantitativo), ya que pequeñas alteraciones en esas cantidades pueden ocasionar grandes pérdidas o demandas legales contra las empresas fabricantes por los daños ocasionados. Por ello, conocer la composición de las sustancias y calcular sus reacciones, es una tarea fundamental de los químicos.

Esta palabra deriva de los vocablos griegos stoichéon (elemento) y métron (medida).

Estequiometría.

Por lo tanto, el significado etimológico del término es “medida de los elementos”.

Los cálculos estequiométricos se refieren a las relaciones cuantitativas que se establecen a partir de la información que brinda una ecuación química balanceada. Estas relaciones vinculan el número de moles de reactivos y de productos a través de los coeficientes de la ecuación química (relaciones estequiométricas). En una ecuación química balanceada los coeficientes se pueden interpretar tanto como los números relativos de moléculas (átomos) o como los números de moles. Por ejemplo, en la ecuación química balanceada para la obtención del agua: La masa molar de un elemento es numéricamente igual a su peso atómico expresado en gramos.

2H2 + O2  2H2O

Los coeficientes indican que 2 moléculas de hidrógeno reaccionan con 1 molécula de oxígeno para formar 2 moléculas de agua. Los números de moles son idénticos a los números relativos de moléculas, por lo que la ecuación balanceada proporciona suficiente información para realizar cálculos estequiométricos. También proporciona la siguiente información:

2H2(g)

+

O2(g)

2 moléculas de hidrógeno + 1 molécula de oxígeno 2 mol de hidrógeno + 1 mol de oxígeno 4 gramos de hidrógeno + 32 gramos de oxígeno 2 (6.022x1023 moléculas) de H2 + 6.022x1023 moléculas de O2 2 (22.4 litros) de hidrógeno + 22.4 litros de oxígeno

2H2O(g)

2 moléculas de agua 2 mol de agua 36 gramos de agua 2 (6.022x1023 moléculas) de agua 2 (22.4 litros) de agua

Estas relaciones se pueden usar como factor de conversión para relacionar cantidades de reactivos de productos en una reacción química.

BLOQUE 1

21

Leyes estequiométricas. La estequiometría tiene sus bases en cuatro leyes conocidas como leyes ponderales, y son: Ley de conservación de masa (Lavoisier) Ley de las proporciones definidas o constantes (Proust) Ley de las proporciones múltiples (Dalton) Ley de las proporciones recíprocas (Richter)

Ponderable

Raiz del latín

Susceptible de ser medido. Pesar con la balanza

Ponderabilis

Por medio de ellas se puede determinar los pesos y volúmenes de las sustancias que intervienen en una reacción química. Ley de conservación de masas: propuesta por Antoine Lauren Lavoisier; en ella se establece que la materia no se crea ni se destruye, es decir, en una reacción química la masa de los reactivos debe ser igual a la masa de los productos. En los cambios en sistemas aislados, varían las masas de las sustancias, pero no las de los elementos. La suma de las masas de los reactivos es igual a la suma de las masas de los productos. C + O2 → CO2 12g + 32 g → 44 g

2H2 4g 4 átomos de H

+ + +

O2  2H2O 32 g  36 g 2 átomos de O  4 átomos de H y 2 átomos de O

Ley de las proporciones definidas o constantes: se atribuye a Joseph Proust, quien realizó numerosos análisis para demostrar la composición constante de las sustancias químicas. Analizó muestras de carbonatos de cobre provenientes de diversas fuentes naturales y de la síntesis de laboratorio, y encontró que todas ellas tienen la misma composición. Observó que esto sucedía con otras sustancias. La Ley de Proust, como también se le conoce, establece que “los elementos que se combinan para formar un compuesto siempre lo hacen en proporciones de masa definida y en relaciones sencillas”. Por ejemplo, 1 gramo de agua pura, sea cual sea su procedencia, siempre estará compuesta por 0.11 g de hidrógeno y 0.89 g de oxígeno. En 100 gramos de agua 89 g son de oxígeno y 11 g de hidrógeno; de aquí que se puede hablar de la composición porcentual o centesimal del agua de un 89% de oxígeno y un 11% de hidrógeno, de igual forma se puede calcular la composición centesimal de los compuestos a partir de la fórmula química de los mismos. La relación en masa de los elementos que forman la molécula de agua (H2O) es: 4 gramos de hidrógeno y 32 g de oxígeno, es decir, una relación de 1:8 (por cada gramo de hidrógeno existen 8 de oxígeno).

22

APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS.

Observa y analiza la figura: ¿Qué observaciones puedes hacer en el primer caso? ¿Qué interpretación l

Ley de las proporciones múltiples o Ley de Dalton.“Cuando dos o mas elementos se unen para formar una serie de compuestos, las cantidades de un mismo elemento se combinan con una cantidad fija de otro. Guardan entre sí una relación que corresponde a números enteros sencillos”. Por ejemplo, el carbono y el oxígeno se combinan para formar monóxido (CO) y bióxido de carbono (CO2). En el CO la relación en masa es de 12 g de carbono por 16 de oxígeno; mientras que en el CO 2 la relación es de 12 g de carbono y 32 de oxígeno.

e das a los resultados en la 2da ecuación? ¿Qué conclusiones puedes obtener a partir del 3er experimento? ¿Cuál es la predicción en la reacción número 4?

Ley de las proporciones recíprocas. Jeremías Benjamín Richter en su trabajo con los ácidos y las bases, observó que si se mezclaban disoluciones de ácidos y bases, éstas se neutralizan, es decir, la mezcla no mostraba propiedades de ácido ni de base. Al estudiar este fenómeno midió la cantidad exacta de diferentes ácidos que se necesitaba para neutralizar una cantidad determinada de una base particular y viceversa. Mediante mediciones cuidadosas encontró que se requerían cantidades fijas y exactas.

La generalización de este hecho a otros ejemplos ha llevado a enunciar la ley de las proporciones recíprocas o Ley de Richter o de los pesos equivalentes de la siguiente manera: las masas de los elementos que se combinan con una masa de un tercero, guardan la misma proporción que las masas de los dos cuando se combinan entre sí. Por ejemplo, 2 g de hidrógeno se combinan con 16 g de oxígeno para dar agua (H2O). Por otro lado 6 g de carbono reaccionan con 16 g de oxígeno para producir dióxido de carbono (CO2). Hidrógeno (2 g) + Oxígeno (16 g) → Agua Carbono (6 g) + Oxígeno (16 g) → Dióxido de carbono De ello se podría deducir que, si el carbono y el hidrógeno se combinan entre sí, sus masas deben estar en la relación o bien decir que 2 g de hidrógeno reaccionan en forma equivalente con 6 g de carbono:

Compuesto Cl2O

Relación en masa 70 a 16

Cl2O3

70 a 48

Cl2O5

70 a 80

Cl2O7

70 a 112

Representación de la Ley de las proporciones múltiples. Mientras que la masa del cloro permanece constante, la masa del oxígeno aumenta en una relación sencilla de 1, 3, 5 y 7.

masa de carbono/masa de hidrógeno = 6 / 2 Pues bien, existe un compuesto de carbono e hidrógeno, el metano, CH 4, en el que las masas de carbono e hidrógeno están en dicha proporción. Carbono (6 g) + Hidrógeno (2 g) → Metano = 12g C + 4g H = 16 g CH4

BLOQUE 1

23

Actividad: 3 Resuelve lo que a continuación se te indica. Las relaciones ponderales se refieren a las relaciones de peso, masa, volumen y número de átomos que forman parte de los compuestos. Explica a qué se refiere cada una de éstas:  Ley de Lavoisier o de conservación de la materia _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________  Ley de Proust o de las proporciones constantes. _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________  Ley de las proporciones recíprocas. _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ Identifica la ley ponderal que aplica a cada una de las siguientes observaciones y explica brevemente tu razonamiento. a) Una muestra de cloruro de sodio proveniente de Baja California Sur contiene el mismo porcentaje en masa de sodio que otra muestra de cloruro de sodio proveniente de Sonora. _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________

24

APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS.

Actividad: 3 (continuación) b) La masa sumada de magnesio y oxígeno antes de ser usado el flash de una cámara fotográfica, es igual a la masa de óxido de magnesio encontrado después de usarlo o accionarlo. _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________ c) Al reaccionar, el arsénico y el oxígeno pueden formar dos sustancias: una en la que hay 65.2% de arsénico, y otra en la que el porcentaje en masa de arsénico es de 75.8%. _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________

Evaluación Actividad: 3

Producto: Descripción. Saberes Procedimental

Conceptual Describe el significado de las leyes ponderales. Autoevaluación

BLOQUE 1

Aplica las leyes ponderales. C

MC

NC

Puntaje: Actitudinal Aprecia la interpretación práctica de las leyes estequiométricas Calificación otorgada por el docente

25

Relaciones estequiométricas. Para realizar un análisis estequiométrico a una reacción química, la ecuación química que representa la transformación debe escribirse correctamente; es decir, que los símbolos de los elementos y las fórmulas de los compuestos participantes, ya sea como reactivos o como productos, deben ser los correctos. Una vez que se ha escrito correctamente, el siguiente paso es balancear la ecuación química. Los cálculos que se pueden realizar a partir de esta ecuación química balanceada incluyen relaciones mol-mol, masa-masa, volumen-volumen o una combinación de algunos de ellos como mol-volumen, masa-mol o masavolumen. Los cálculos que se realizan para buscar los moles que toman parte en una reacción se llaman problemas mol-mol. Por ejemplo: El amoniaco (NH3) que se usa para producir fertilizantes se obtiene haciendo reaccionar hidrógeno y nitrógeno gaseosos a alta temperatura y presión. ¿Cuántos moles de nitrógeno se combinan con 23 moles de hidrógeno? La ecuación química sin balancear para la reacción es: N2 + H2  NH3 1) Como primer paso balancear la ecuación química:

Relaciones estequiométricas. Las relaciones de una ecuación química pueden expresarse como relaciones de moléculas, de moles y de masas, así como de volúmenes si están implicados gases. El siguiente ejemplo ilustra la clase de información que puede deducirse de una ecuación química: 2 SO2 (g) + O2 (g) → 2 SO3 (g) Cada

Pueden relacionarse con

Para dar

2 molé culas de SO2

1 molécula de O2

2 moléculas de SO3

2 moles de SO2 128 g de SO2 44.8 litros de SO2

1 mol de O2

2 moles de SO3 160 g de SO2 44.8 litros de SO3

32 g de O2 22.4 litros de O2

N2 + 3H2  2NH3 2) Una vez balanceada la ecuación química se interpreta en las unidades requeridas, en este caso el mol: N2 + 3H2  2NH3 1 mol de N2 + 3 mol de H2  2 mol de NH3 3) Identificar la relación y resolver el cálculo planteando una regla de tres simple: 1 mol de N2 → 3 moles de H2 X mol de N2 → 23 moles de H2 X mol de N2= (23 moles de H2) (1 mol de N2) 3 moles de H2 X mol de N2= 7.666 moles de N2 se combinan con 23 moles de H2

26

APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS.

Las operaciones estequiométricas que buscan las masas de las sustancias que toman parte en una reacción se les conoce como problemas o relaciones masa-masa. Un ejemplo: El butano (C4H10) es un gas combustible de uso común que se utiliza para cocinar y en la calefacción de los hogares. ¿Qué masa de dióxido de carbono se produce en la combustión de 450 gramos de butano? Solución: 1) Escribe la ecuación química balanceada: 2 C4H10 + 13 O2 → 8 CO2 + 10 H2O 2) Establece la relación mol-mol, determina la masa molar de las sustancias mencionadas en el problema, multiplica la masa molar por el coeficiente estequiométrico correspondiente: Sustancia

Pesos atómicos (uma)

Operaciones

Masa molar

C4H10

C= 12 H= 1

C=12 X 4= 48 H= 1 X 10= 10

58 g/mol

CO2

C= 12

C= 12 x1= 12

44 g/mol

O=16

O=16 x 2=32

Multiplicado por el coeficiente de la ecuación

2 C4H10 2(58) = 116 g 8 CO2 8(44)= 352 g

Soplete especialmente diseñado para aquellos trabajos en cocina y pastelería que requieren un cierto grado de precisión. Depósito recargable para gas butano. Temperatura 1500º C.

2 moles de C4H10 → 8 moles de CO2 116 g de C4H10 → 352 g de CO2 450 g de C4H10 → X g de CO2 X g de CO2 = (450 g de C4H10) (352 g de CO2) 116 g de C4H10 X g de CO2 =1365.517 g de CO2 Conocido el volumen de una de las sustancias gaseosas participantes en condiciones determinadas, se puede encontrar el volumen de otras especies gaseosas que se encuentren en las mismas condiciones de temperatura y presión. Es decir, relación volumen-volumen. Por ejemplo: En la reacción de combustión del butano (C4H10): 2 C4H10 + 13 O2 → 8 CO2 + 10 H2O

En 1897 Félix Hoffman, un químico de los laboratorios Bayer, en Alemania, preparó un compuesto del ácido acetilsalicílico que apareció en el mercado con el nombre de aspirina. Fue uno de los primeros fármacos comercializado en forma de comprimido.

¿Qué volumen de oxígeno se requiere para la combustión de 40 litros de butano? 1) Establece la relación mol-mol y a litros las especies involucradas en el problema, partiendo del volumen molar 1 mol de cualquier gas en condiciones normales ocupa un volumen de 22.4 litros. 1 mol de oxígeno ocupa 22.4 litros por lo tanto 8 moles ocuparán 104 litros. 1 mol de butano ocupa 22.4 litros los 2 moles de butano en la ecuación ocupan 44.8 litros

BLOQUE 1

27

2) Ahora plantea la solución del problema: 2 moles de C4H10 → 13 moles de O2 44.8 litros de C4H10 → 104 litros de O2 40 litros de C4H10 → X volumen de O2 X volumen de O2= (104 litros de O2)(40 litros de C4H10) 44.8 litros de C4H10 X volumen de O2= 92.857 litros de oxígeno son necesarios para reaccionar con 40 litros de butano.

Relaciones masa-mol-volumen. La aspirina, o ácido acetilsalicílico (C9H8O4) es uno de los analgésicos más conocidos. Un método de laboratorio para su preparación es hacer reaccionar ácido salicílico (C7H6O3) con anhídrido acético (C4H6O3). La ecuación química de la reacción es: 2C7H6O3 + C4H6O3  2C9H8O4 + H2O Si se quieren obtener 345 gramos de aspirina (C9H8O4) ¿Cuántos moles de ácido salicílico (C7H6O3) se requieren?

Solución: Identificar en la ecuación las sustancias involucradas en el problema planteado y establecer la relación mol-mol y convertirlas en las unidades requeridas. Plantear la regla de tres simple por la que se resolverá el problema; la primera parte de la regla de tres se obtiene del enunciado del problema y la segunda se obtiene de la ecuación química balanceada:

Primera parte Segunda parte

2C7H6O3 + C4H6O3  2C9H8O4 + H2O 2 moles deC7H6O3 → 2 moles deC9H8O4 X moles C7H6O3 → 345 gramos C9H8O4 2 moles C7H6O3 → 360 gramos C9H8O4

*Al convertir alguna sustancia presente en la ecuación, a moles litros o gramos; se debe utilizar el coeficiente estequiométrico para determinar este cálculo. C9H8O4

C= 12 x 9= 108 H= 1 x 8= 8 O= 16 x 4= 64 180 gr/mol por lo que

El número de moles está determinado por los coeficientes en la ecuación balanceada. Si no aparece el coeficiente, se sobreentiende que su valor es igual a uno

360 gramos por dos moles

X moles C7H6O3 → 345 gramos C9H8O4 2 moles C7H6O3 → 360 gramos C9H8O4 X moles C7H6O3= 2 moles C7H6O3 x 345 gramos C9H8O4 360 gramos C9H8O4

28

APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS.

Resultado: 1.91 moles de ácido salicílico se requieren para la obtención de 345 gramos de aspirina C9H8O Un trozo de carbón pesa 57 gramos ¿Qué volumen de monóxido de carbono se produce al quemar esta cantidad de carbón? La ecuación química para esta reacción es: 2C(s) + O2(g) → 2CO(g) 2moles de C(s) → 2 moles de CO(g) Planteamiento: 56 gramos de carbón → 44.8 litros de CO 57 gramos de carbón → X litros de CO Resultado: 45.6 litros de monóxido de carbono se producen a partir de los 57 gramos de carbón.

Actividad: 4 Realiza los siguientes cálculos estequiométricos. Un automóvil consume 5 litros de gasolina (C8H18) por día. ¿Cuál es el volumen de dióxido de carbono (CO2) que se acumula en la atmósfera por la combustión de esta cantidad de gasolina. La ecuación correspondiente es: 2C8H18 + 25O2 → 16CO2 + 18H2O

La disminución del ozono (O3) en la estratosfera ha sido tema de gran preocupación entre los científicos en los últimos años. Se cree que el ozono puede reaccionar con el óxido nítrico (NO) que proviene de las emisiones de los aviones de propulsión, a alturas elevadas. La reacción es: 3O3 + NO → 4O2 + NO2 Calcula el número de moles de ozono que se descomponen al reaccionar con 1234 gramos de óxido nítrico:

BLOQUE 1

29

Actividad: 4 (continuación) Calcula el número de moles de ozono que se descomponen al reaccionar con 1234 gramos de óxido nítrico:

El fertilizante sulfato de amonio (NH4)2SO4 se prepara mediante la reacción entre el amoniaco NH3 y ácido sulfúrico H2SO4: 2NH3(g) + H2SO4(ac) → (NH4)2SO4(ac)

¿Cuántos litros de amoniaco se necesitan para producir 150 kilogramos de de sulfato de amonio?

Actividad: 4 Conceptual Comprende los cálculos estequiométricos.

Autoevaluación

30

Evaluación Producto: Cálculos estequiométricos. Saberes Procedimental

Puntaje: Actitudinal

Resuelve ejercicios sobre cálculos estequiométricos que involucran relaciones mol-masavolumen. C

MC

NC

Valora la importancia del mol para realizar cálculos estequiométricos.

Calificación otorgada por el docente

APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS.

Composición porcentual y su relación con la fórmula mínima y molecular. Es común en nuestro entorno escuchar el término porcentaje o por ciento, al igual que observar su representación %; ejemplos cotidianos son el descuento en los centros comerciales, los datos sobre la composición de la población porcentaje de mujeres y hombres, la probabilidad de ganar algo en una rifa. Pero ¿Cómo se calcula, por ejemplo, el porcentaje de alumnos de un grupo que practican alguna actividad deportiva si el total de alumnos del grupo son 46, de estos 32 practican deporte y 14 no realizan ninguna actividad deportiva? ¿Cuál fue el porcentaje de alumnos que realizan actividades deportivas?: Total de alumnos: 32 + 14 = 46 Practican actividades deportivas= 32 No realizan actividades deportivas = 14 % Deportistas= Deportistas X 100 Total alumnos % Deportistas = 32 X 100 46 % Deportistas= 69.56 el resto 30.44 es el porcentaje de alumnos que no realizan actividades deportivas.

¿Cómo calcularías el porcentaje de hidrógeno y de oxígeno presentes en la molécula de agua?

Cuando los químicos realizan el análisis cuantitativo de una muestra, indican su composición en términos de porcentaje en masa o porcentaje en peso. El porcentaje en masa de un elemento presente en un compuesto en particular equivale al número de gramos del elemento presente en 100 gramos de compuesto. Cuando se conoce la fórmula del compuesto que se analiza, la masa de cada elemento presente en la sustancia se puede expresar en términos de porcentaje. En el caso inverso, si se conocen los elementos que constituyen un compuesto y el porcentaje en que están presentes, se puede determinar la fórmula del compuesto. Para calcular el porcentaje en masa de un elemento que forma parte de un compuesto partiendo de la fórmula, se requiere:  Determinar la masa de un mol de la sustancia (masa molar)  Dividir la masa del elemento presente en un mol de la sustancia entre la masa molar de la sustancia  Multiplicar el cociente obtenido por 100 La expresión matemática es: % en masa del elemento

BLOQUE 1

Masa del elemento presente en 1 mol de sus tan cia 100 Masa molar de la sus tan cia

31

Para calcular los porcentajes en masa de hidrógeno y oxígeno presentes en la molécula de agua se debe determinar la masa de 1 mol de agua (H2O). Su fórmula indica que 1 molécula de agua está compuesta por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Si la masa molar de un elemento es su masa atómica expresada en g/mol, entonces, a partir de esta información calcula la masa molar del agua: Hidrógeno: 2 mol (1 g/mol) = 2 g Oxígeno: 1 mol (16 g/mol) = 16 g Masa de 1 mol de H2O = 18 g Dividir la masa de cada elemento entre la masa molar del agua y multiplicar por 100. Porcentaje en masa del hidrógeno: 2.g 100 18 g

11.1% de H

Porcentaje en masa del oxígeno: 16 g 100 18 g

88.8% de O

A la pirita de hierro, FeS2 se le conoce como el oro de los tontos, pues se parece mucho al oro, y por ello engañó a los inocentes. La composición de la masa de la pirita es de 46.5% de hierro y 53.5% de azufre. Estas proporciones son las mismas en todas las muestras de pirita, es decir, son independientes del origen o cantidad de la sustancia.

La determinación del porcentaje en masa de cada elemento en el carbonato de calcio (CaCO3) se obtiene mediante los siguientes cálculos: CaCO3 Masa molar = Ca= 40 x 1= 40 C=12 x 1 = 12 O= 16 x 3 =48 100g/mol Porcentaje de Ca

Trozo de pirita

Composicion de la pirita de hierro.

40 gramos 100 100 gramos

Azufre

Porcentaje de Ca = 40 % Porcentaje de C

12 gramos 100 100 gramos

54 %

Fierro

46 %

Porcentaje de C= 12 % Porcentaje de O

48 gramos 100 100 gramos

Porcentaje de O=48% La formula mínima o empírica. Proporciona la mínima relación de números enteros de los átomos de cada elemento presente en una molécula. Se obtiene con base en la composición porcentual, la cual se determina en forma experimental a partir del análisis del compuesto e indica sólo la proporción de los átomos presentes, expresada con los números enteros más pequeños posibles. Por su parte, la fórmula molecular, generalmente, es un múltiplo de números enteros de la fórmula mínima. La fórmula molecular. Proporciona el número real de átomos de cada elemento presente en una molécula. La formula real de un compuesto en algunos casos puede ser la fórmula mínima y en otros casos un múltiplo entero de ella.

32

APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS.

Para determinar la fórmula molecular (real) de un compuesto es necesario conocer, en primer lugar, la fórmula mínima y la masa molecular de dicho compuesto. Ahora bien, para obtener la fórmula mínima debemos saber la composición porcentual del compuesto y las masas atómicas de sus elementos. Para entender estos dos tipos de fórmula imagina que en tu salón de clases la proporción mínima de hombres y mujeres es de 2: 1 (fórmula mínima); pero, la cantidad real de mujeres y hombres es de 30:15 (fórmula molecular). ¿Cómo se puede determinar la fórmula mínima de un compuesto? Se puede determinar de la siguiente manera: 1. 2. 3. 4.

Se requiere la composición porcentual. Dividir el % en peso de cada elemento entre su peso atómico para obtener la fracción proporcional del elemento. Dividir los valores obtenidos entre el menor de ellos. Si se obtienen fracciones, multiplicar los valores fraccionarios obtenidos por el mínimo común múltiplo.

El glicerol, sustancia química presente en las lociones para manos, contienen 39.10% de carbono, 8.77% de hidrógeno y 52.13% de oxígeno. Determinar su fórmula su fórmula mínima. Solución: 39.10 12

Carbono= Hidrógeno= Oxígeno=

3.26

8.77 1

52.13 16

8.77

3.25

Dividir los valores anteriores entre el menor valor obtenido (3.25). 3.26 3.25

Carbono= Hidrógeno= Oxígeno=

1

8.77 3.25

3.25 3.25

2.69 1

Se observa que uno de los valores obtenidos (2.67) no es un número entero. Para eliminar los decimales y obtener un número entero, debes multiplicar todos los valores por un número con el que se obtengan valores enteros. En este caso se multiplicará por 3: Carbono: Hidrógeno: Oxígeno:

BLOQUE 1

1.00 x 3= 3.00 2.67 x 3= 8.01 se aproxima a 8 1.00 x 3= 3:00

33

El conjunto de números enteros calculados se escribe como subíndice del elemento correspondiente: La fórmula mínima del glicerol: C3H8O3 La fórmula molecular es un múltiplo de la fórmula mínima o empírica, se le suele llamar fórmula condensada o fórmula verdadera y nos indica el número total de átomos de cada elemento que se encuentra presente en una molécula de un compuesto. Para determinar la fórmula molecular: 1. Calcular el “peso fórmula” de la fórmula mínima, sumando los pesos atómicos de los elementos que le forman. 2. Establecer la relación del peso molecular con respecto al peso fórmula (fórmula mínima). Factor = Peso molecular/ Peso fórmula 3. Multiplicar el factor anterior, aproximado a un número entero, por los índices de la fórmula mínima, para obtener los índices de la fórmula molecular. Fórmula molecular = Factor (Fórmula mínima). Ejemplo: a) La fórmula mínima de un compuesto es CHO2, y su peso molecular es de 90, ¿Cuál es su fórmula molecular? Datos: Fórmula mínima = CHO2 Peso molecular = 90 uma Peso fórmula = 12 + 1 + 32 = 45 Factor = 90 / 45 = 2 Fórmula molecular: Factor (fórmula mínima) Fórmula molecular: 2 (CHO2) = C2H2O4

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APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS.

Cierre Actividad: 5 En equipo, resuelvan los siguientes problemas. ¿Cuál de las siguientes sustancias contiene la mayor masa de cloro? a) b) c) d)

5.0 gramos de Cl2 60.0 gramos de NaClO3 11.2 litros de Cl2 0.10 mol de KCl

La reacción entre el óxido nítrico (NO) y el oxígeno para formar dióxido de nitrógeno (NO 2) es un paso determinante para la formación del smog fotoquímico: 2NO(g) + O2(g) → 2NO2(g) ¿Cuántos moles de oxígeno se consumen para formar 32 litros de NO 2?

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Actividad: 5 (continuación) Las sustancias que aparecen enlistadas a continuación se utilizan como fertilizantes que contribuyen a la nitrogenación del suelo. ¿Cuál de ellas representa la mejor fuente de nitrógeno, basándose en su composición porcentual en masa? a) Urea (NH2)2CO b) Nitrato de amonio NH4NO3 c) Amoniaco NH3

Calcula la composición porcentual de cada uno de los elementos del fosfato de calcio Ca 3(PO4)2, principal constituyente de los huesos.

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APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS.

Actividad: 5 (continuación) Determina la fórmula mínima del fosfato de calcio Ca3(PO4)2

La alicina es el compuesto responsable del olor característico del ajo. Un análisis de dicho compuesto muestra la siguiente composición porcentual en masa: Carbono 44.4%, hidrógeno 6.21%, azufre 39,5% y oxígeno 9.86%. Calcula su fórmula mínima. ¿Cuál es su fórmula molecular si su masa molar es aproximadamente de 162 gramos?

Evaluación Actividad: 5 Conceptual Distingue los conceptos: mol, masa fórmula, masa molar, composición porcentual, fórmula mínima y fórmula molecular. Autoevaluación

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Producto: Ejercicios.

Puntaje:

Saberes Procedimental Aplica los conceptos en la resolución de cálculos.

Actitudinal Muestra una actitud positiva durante el trabajo en equipo.

Resuelve ejercicios en los que Valora la oportunidad de aplica conceptos aprender de sus compañeros. C MC NC Calificación otorgada por el docente

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Secuencia didáctica 2. Estequiometria, economía y cuidado ambiental. Inicio Actividad: 1 Resuelve el siguiente cuestionario. ¿Qué importancia tiene la estequiometría en las producciones industriales o en la preparación casera de bebidas? _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ ¿Qué es la contaminación? _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ Explica la elaboración de tacos si cuentas con carne asada, suficiente verdura y 10 tortillas. ¿De qué depende la cantidad de tacos que se pueden preparar? _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________

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APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS.

Evaluación Actividad: 1

Producto: Cuestionario. Saberes Procedimental

Conceptual Reconoce la aplicación de los cálculos estequiométricos. Autoevaluación

Puntaje: Actitudinal

Aplica conceptos a procesos cotidianos. C

MC

NC

Se percata y valora la utilización de cálculos estequiométricos.

Calificación otorgada por el docente

Desarrollo Reactivo limitante. En las reacciones químicas que se llevan a cabo a nivel industrial o en el laboratorio, generalmente los reactivos no se colocan en cantidades estequiométricas exactas; es decir en las proporciones que indica la ecuación balanceada. En consecuencia, en la reacción uno de los reactivos se consume en su totalidad, o sea se termina primero. El reactivo que se consume primero en una reacción recibe el nombre de reactivo limitante ya que la máxima cantidad de producto que se forma depende de la cantidad de este reactivo; cuando este reactivo se consume no se puede formar más producto; en otras palabras limita la reacción. Los reactivos en exceso, son los reactivos presentes en mayor cantidad que la necesaria para reaccionar con la cantidad de reactivo limitante. Un ejemplo para explicar este concepto es la organización de un grupo de danza formado por 3 mujeres y 5 hombres, por lo que su director, al preparar un baile por parejas solo puede completar 3 parejas hombre/mujer; 2 hombres se quedan sin pareja. En este caso el número de mujeres limita el número de parejas o de hombres que podrán participar en este baile.

Un anticongelante, no sólo es para prevenir del congelamiento a los vehículos. En realidad un anticongelante provee una temperatura adecuada, que permite proteger todos los componentes y superficies internas de los daños por el calor y la corrosión.

Durante los procesos químicos, se selecciona al reactivo que es más costoso como reactivo limitante, porque de esta forma es un hecho que este reactivo se termine durante la reacción y no se desperdiciará. El concepto de reactivo limitante es también importante a la hora de querer reducir los productos contaminantes. Es de gran importancia saber hacer las reacciones, para no producir residuos contaminantes o bien eliminarlos antes de que se conviertan en un problema. Una forma de hacer bien las reacciones es controlar el reactivo que se quiere sea el limitante para conducir las reacciones.

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Ejemplo: El etilenglicol (C2H6O2) que se utiliza como anticongelante para los automóviles y en la preparación del poliéster para la elaboración de telas, se prepara haciendo reaccionar óxido de etileno (C2H4O) y agua. La ecuación química balanceada de esta reacción es: C2H4O + H2O → C2H6O2 Si se hace reaccionar 166 gramos de óxido de etileno con 75.0 gramos de agua, ¿Cuál es el reactivo limitante? ¿Qué cantidad de etilenglicol se obtiene? Para encontrar cuál es el reactivo limitante se identifica la relación estequiométrica en la ecuación balanceada: En el problema: En la ecuación: Entonces:

X gramos de H2O → 166 gramos de C2H4O 18 gramos de H2O → 44 gramos de C2H4O

X gramos de H2O= (18 gramos de H2O) (166 gramos de C2H4O) 44 gramos de C2H4O Resultado: 67.90 gramos de H2O son necesarios para la reacción exacta de 166 gramos de C 2H4O. En el problema se hacen reaccionar 75 gramos de agua, por lo que sobran 7.10 gramos de agua, por lo tanto el reactivo limitante es el óxido de etileno (C2H4O) y el reactivo en exceso es el H2O. Ahora para determinar la cantidad de etilenglicol producida, se realiza el cálculo a partir de la cantidad dada de óxido de etileno (C2H4O): ¿Qué es el metanol? El metanol es un líquido sin color con un suave olor a alcohol, lo que lo hace imposible de detectar cuando está mezclado con alcohol. •¿Cuánto es demasiado? Menos de una cucharita de metanol puede causar ceguera y más de cuatro cucharadas pueden ser letales.

X cantidad de etilenglicol (C2H6O2) → 166 gramos de oxido de etileno (C2H4O) 62 gramos de etilenglicol (C2H6O2) → 44 gramos de oxido de etileno (C2H4O) X cantidad de etilenglicol= (62 gramos de (C2H6O2)) (166 gramos de (C2H4O)) 44 gramos de C2H4O

Resultado: 233.90 gramos de etilenglicol se obtienen a partir de 166 gramos de etileno, que resultó ser el reactivo limitante; al final de la reacción se recupera la cantidad sobrante de agua (7.10 g).

•¿Cuáles son los efectos del metanol? Beber metanol causa los mismos efectos que beber alcohol en exceso, además de causar problemas pronunciados de visión. Sin embargo, una vez que los síntomas desaparecen, se repiten de seis a 30 horas después con mayor severidad. Aquellos con intoxicación más seria pierden el conocimiento y mueren por fallas respiratorias o cardíacas. Otros pueden permanecer en estado de coma hasta por una semana y quedar ciegos.

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APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS.

Actividad: 2 Lee el texto “estequiometria e intoxicaciones” y responde lo que se te solicita al final del mismo. Estequiometria e intoxicaciones. Cuando una persona se intoxica por la acción de algún producto químico, en ocasiones se le puede dar un antídoto, que reacciona con el agente tóxico para producir sustancias que no son dañinas al organismo. Un ejemplo es la intoxicación con ácido oxálico (C2H2O4), sustancia que se puede encontrar en algunos productos antioxidantes, blanqueadores y limpiadores de metales. Otro caso de intoxicación ocurre cuando las personas ingieren metanol en lugar de etanol. El metanol se oxida y produce formaldehido, que a su vez se convierte en ácido fórmico, que es muy neurotóxico y sus lesiones son irreversibles.

El cuerpo humano no es capaz de eliminar al ácido fórmico, por lo que el ácido baja el valor del pH de la sangre lo cual puede producir la muerte. El ácido fórmico puede neutralizarse en el organismo suministrando bicarbonato de sodio. El ácido fórmico tiene que ser el reactivo limitante por lo que el bicarbonato de sodio se ingiere en cantidades excesivas. En todos los casos de intoxicaciones, la idea del antídoto es que éste sea el reactivo en exceso y el veneno sea el reactivo limitante. De esta forma, el veneno reaccionará por completo y se terminará el problema. El funcionamiento de las píldoras anticonceptivas también está relacionado con reactivos en exceso y reactivos limitantes, ya que es la administración de diferentes hormonas en cantidades precisas lo que evita la ovulación y por lo tanto el embarazo.

1) Explica con base en lo leído cuál es la aplicación en el área de la salud del reactivo limitante. __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ 2) ¿Por qué el antídoto siempre debe ser el reactivo en exceso al tratar una intoxicación? __________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________

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Evaluación Actividad: 2

Producto: Cuestionario. Saberes Procedimental

Actitudinal

Aplica el concepto al cuidado de la salud.

Actúa responsablemente en uso de sustancias.

Conceptual Comprende el concepto de reactivo limitante. Autoevaluación

Puntaje:

C

MC

NC

Calificación otorgada por el docente

Rendimiento de una reacción. La cantidad de reactivo limitante presente al inicio de la reacción determina el rendimiento teórico de la reacción, es decir, la cantidad de producto que se obtendrá si reacciona completamente el reactivo limitante. El rendimiento teórico, por tanto, es el máximo rendimiento, el cual se predice a partir de la ecuación balanceada. En la práctica el rendimiento real, o bien la cantidad de producto que se obtiene realmente en una reacción, casi siempre es menor que el rendimiento teórico. El porcentaje de rendimiento puede ser cualquier valor entre 1 y 100. Mientras más cercano a 100 sea, más óptimo será el proceso. Existen muchas razones para explicar la diferencia entre el rendimiento real y teórico; entre los factores que pueden afectar el rendimiento se encuentran la presión o la temperatura, la pureza de los reactivos o la reacción puede ser reversible o la contaminación de la reacción con otras sustancias no deseables. Para determinar la eficiencia de una reacción específica, se utiliza el rendimiento porcentual o porcentaje de rendimiento, el cual describe la relación del rendimiento real y el rendimiento teórico. Se calcula como sigue: Porcentaje de ren dim iento

ren dim iento real x100 ren dim iento teórico

Ejemplo: El titanio, un metal fuerte, ligero y resistente a la corrosión, se utiliza en la construcción de bicicletas ligeras y resistentes. Se obtiene por la reacción de cloruro de titanio (IV) con magnesio fundido, a una temperatura entre 950 y 1150°C:

TiCl4 (g) + 2Mg(l) → Ti(s) + 2MgCl2(l) En cierta operación industrial 3.54 x107 gramos de TiCl4 reaccionan con 1.13 x107 gramos de Mg. a) Calcúlese el rendimiento teórico de Ti, en gramos. b) Calcúlese el porcentaje de rendimiento si realmente se obtienen 7.91 x 106 gramos de Ti. Porcentaje de ren dim iento

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Impurezas de reactivos •Es prácticamente imposible tener una sustancia que sea absolutamente pura, aún los mejores reactivos tienen impurezas. •En los reactivos que se venden comercialmente están especificadas, no solamente la cantidad de impurezas sino cuales son. • La pureza de los reactivos se representa como porcentaje. Si se dice que un reactivo tiene 90 % de pureza, eso significa que por cada 100 g que se tomen habrá sólo 90 g que corresponden al reactivo y 10 g son de impurezas.

ren dim iento real x100 ren dim iento teórico

APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS.

Respuesta: a) Primero se determina cual sustancia es el reactivo limitante. Como los datos en el problema están dados en gramos, se convierte a gramos la cantidad estequiométrica de TiCl4 y de Mg: En la ecuación:

188 g TiCl4

En el problema:

3.54 x107 g TiCl4

Solución:

→48 g Mg → x g Mg

X g Mg = (3.54 x107 g TiCl4) (48 g Mg) 188 g TiCl4 Resultado: 9,038,297.872 g de Mg deben reaccionar con 3.54 x107 g TiCl4, pero en la reacción se han añadido 1.13 x107 g de Mg (11,300,000 g Mg); por lo tanto hay Mg en exceso y el reactivo limitante es el TiCl4. b)

Ahora se calcula el rendimiento teórico a partir del reactivo limitante:

En la ecuación:

88 g de TiCl4 3.54 x107 g de TiCl4

En el problema: Solución:

Implante de titanio.

→ 48 g de Ti → X g de Ti

X g de Ti= (3.54 x107 g de TiCl4) (48 g de Ti) 188 g de TiCl4

Resultado: 9,038,297.872 g de Ti es el rendimiento teórico de la reacción.

c) Por último se calcula el porcentaje de rendimiento con base en que realmente se obtienen 7.91 x 106 gramos de Ti (rendimiento real). Porcentaje de ren dim iento

% de rendimiento:

ren dim iento real x100 ren dim iento teórico

7910000 g Ti X 100 9,038,297.872 g de Ti

Resultado: el porcentaje de rendimiento es de 87.5% Otro ejemplo: La urea (NH2)2CO, sustancia utilizada como fertilizante, se prepara por la siguiente reacción:

2NH3 (g) + CO2 (g) → (NH2)2CO (ac) + H2O (l)

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Durante un proceso se ponen a reaccionar 79.98 litros de NH3 con 58.13 litros de CO2. Calcular la masa de urea que se obtiene y la cantidad de reactivo en exceso que queda sin reaccionar. Si el porcentaje de rendimiento es igual al 93%, calcula la cantidad real de urea que se produce. a)

Encontrar el reactivo limitante:

En la ecuación:

44.8 litros de NH3 → 22.4 litros de CO2

En el problema:

X litros de NH3 → 58.13 litros CO2

Solución:

X litros de NH3= (44.8 litros de NH3) ( 58.13 litros CO2) 22.4 litros CO2

Resultado: 116.26 litros de NH3 deben reaccionar con 58.13 de CO2, en el proceso se añaden 79.98 litros solamente, por lo tanto el NH3 es el reactivo limitante y el CO2 se encuentra en exceso. Con 79.98 litros de NH3 exactamente reaccionan 39.99 litros de CO2; como en la reacción se añadieron 58.13 litros de CO2 la cantidad excedente de esta sustancia es de 18.14 litros. b) A partir de este dato calcular ahora el rendimiento teórico de esta reacción: En la ecuación:

44.8 litros de NH3 → 82 gramos de (NH2)2CO

En el problema:

79.98 litros de NH3→ X gramos de (NH2)2CO

Solución:

X gramos de (NH2)2CO= (79.98 litros de NH3)(82 gramos de (NH2)2CO) 44.8 litros de NH3

Resultado: 146.39 gramos de urea (NH2)2CO es el rendimiento teórico a partir de la cantidad de reactivo limitante disponible, pero como el rendimiento es del 93%. Entonces el rendimiento real es de 136.14 gramos de urea.

Re n dim iento real

% de ren dim iento x100 ren dim iento teórico

El nitrógeno es el nutriente edáfico requerido en mayor cantidad por las plantas. En su forma más abundante, es el gas principal de la atmósfera (N2).

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APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS.

Actividad: 3 En equipo, resuelvan los cálculos indicados en cada problema. 1) Parte del dióxido de azufre (SO2) que se expulsa a la atmósfera es convertido en ácido sulfúrico (H2SO4) que forma parte de la lluvia ácida, al reaccionar con el oxígeno y el vapor de agua presentes. La ecuación química de esta reacción es: 2SO2 + O2 + H2O → 2H2SO4 ¿Qué cantidad de ácido sulfúrico se produce al reaccionar 600 gramos de SO 2 con 64 gramos de O2? ¿Cuál es el reactivo limitante?

2) Una muestra impura de zinc (Zn) se trata con un exceso de ácido sulfúrico (H 2SO4) para formar sulfato de zinc (ZnSO4) e hidrógeno molecular (H2). Escriban la ecuación balanceada para la reacción: Ecuación balanceada:

Si se obtienen 0.0764 gramos de H2 a partir de 3.86 gramos de la muestra, calculen el porcentaje de pureza de la muestra, ¿Qué suposiciones se hacen para explicar el resultado?

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Actividad: 3 (continuación) 3) Para determinar el monóxido de carbono (CO) se utiliza el reactivo pentóxido de diyodo (I2O5) en la reacción: I2O5 (s)

+

5CO(g)

→

5CO2(g) + I2(s)

¿Cuántos litros de CO alcanza a medir un detector cargado con 800 gramos de I 2O5? ¿Cuál es la cantidad exacta de CO detectado si el rendimiento de la reacción es del 99%?

Evaluación Actividad: 3 Conceptual Interpreta los conceptos de reactivo limitante y rendimiento teórico en los cálculos estequiométricos. Coevaluación

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Producto: Ejercicios.

Puntaje:

Saberes Procedimental

Actitudinal

Calcula el reactivo limitante y el rendimiento teórico en una reacción química. C

MC

NC

Se percata de la importancia de aplicar cálculos estequiométricos para evitar problemas ecológicos y económicos.

Calificación otorgada por el docente

APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS.

Cálculos estequiométricos, economía e impacto ambiental. Al pensar en ciudades industriales se evocan imágenes de lugares contaminados. En la actualidad, la industria y la contaminación se han relacionado entre sí y aceptado como un mal de estos tiempos, aún sin preguntarse o sin saber qué es la industria y con ello entender qué tiene que ver la contaminación con la industria. Se conoce como industria al conjunto de actividades orientadas a la transformación de materias primas en objetos o productos útiles y preparados para el consumo. En este proceso se incluye la obtención o transporte de estos bienes o productos, ya sean intermedios o finales. Algunas industrias trabajan en serie (automóviles, electrodomésticos, etc.); otras se sirven de lotes de productos por ciclos que se repiten cierto número de veces hasta que se cambia el producto o el modelo (industria textil). Hay industrias que trabajan sobre pedidos adaptándose a las exigencias de cada cliente (instalaciones eléctricas, químicas, etc.), en tanto que otras industrias producen solamente proyectos especiales (industria naval). A partir de la definición de industria ¿La cosecha de frijol o la obtención y transporte de leche desde el establo a las pasteurizadoras son procesos industriales? Sí la respuesta es afirmativa entonces habrá que reflexionar en las siguientes preguntas: ¿en qué contaminan?, ¿se puede prescindir de la industria? ¿Cuánto se gasta en gasolina?

Se puede reducir el costo que representa el gasto de combustible en los automóviles, siguiendo estas recomendaciones: 1. Revisar la presión de las llantas. de Asegurarse de que la presión de aire sea la recomendada. 2. Cambiar los filtros de aire. 3. Realizar el mantenimiento sugerido en el manual del usuario. 4. Comprar el combustible correcto, el indicado en el manual. 5. Un auto ligero es un auto económico. El peso es vital para el consumo de combustible.

Es posible que en realidad las personas relacionen los procesos industriales con las fábricas de papel, plásticos, combustibles, telas, autos, computadoras, pinturas o productos de belleza. En estos casos se puede pensar en un proceso contaminante asociado a la fabricación de los productos que se utilizan todos los días. ¿Qué acaso es el precio que se deber pagar por tener las comodidades características de esta época, a las que casi nadie está dispuesto a renunciar? Todas las obras y actividades son capaces de provocar cambios en el entorno, pero no por ello debemos paralizar el desarrollo ni eliminar la producción, sino por el contrario, existen cada vez más medios desarrollados a su vez para permitir las actividades siendo respetuosos con el Medio Ambiente. Por otra parte, la realización de cualquier obra exige un suelo disponible y condicionado por su situación, su calificación y su calidad, que a su vez dependen del uso anterior y su grado de contaminación. Estos son aspectos esenciales de un proyecto, que es necesario abordar antes de proponer su ubicación definitiva. Por estas razones, cada vez es más necesario que los profesionales que realizan los proyectos conozcan los medios, mecanismos y elementos que deben considerar e integrar en los proyectos para que éstos resulten respetuosos con el Medio Ambiente.

En cualquiera de las industrias que fabrican los productos mencionados anteriormente, lo que se lleva a cabo son reacciones químicas, mismas que pueden representarse con ecuaciones químicas. Los reactivos son lo que se conoce como materia prima. Los contaminantes pueden ser parte de los productos de la reacción, o bien estar en los reactivos. Para no producir contaminantes o bien eliminarlos antes de que se conviertan en un problema, hay que saber hacer las reacciones adecuadamente y disponer con seguridad de los residuos.

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Con las ecuaciones químicas, ¿Se podrá conocer cuánto se va a obtener de determinado producto y cuánto se necesita de materia prima de cierto reactivo?, ¿Se podría determinar la cantidad de contaminación que se produce?, ¿Por qué en ocasiones queda materia prima sin reaccionar?, ¿Será que en la industria los procesos no están suficientemente estudiados y por ello se produce la contaminación? De cualquier forma, ¿Qué es preferible, mejorar la industria o eliminarla y con ella todas las ventajas que nos aporta?, ¿Qué tan costoso es lograr que la industria no contamine? Como ejemplo para el análisis de estos cuestionamientos se presenta el caso de la relación aire/combustible en un motor. El monóxido de carbono (CO) se produce en todas las combustiones incompletas de compuestos de carbono, esto es, aquéllas que no forman dióxido de carbono como producto de la reacción. Es un gas invisible, incoloro y sinsabor, por lo que no se puede detectar altamente. El problema es que el CO es fuertemente tóxico, ya que forma un enlace fuerte con el hierro (Fe) de la hemoglobina de la sangre. En condiciones normales, el hierro de la hemoglobina se une al oxígeno que se respira y es la que se encarga de llevarlo a todas las células del cuerpo. Cuando el CO se une al hierro de la hemoglobina forma un enlace más fuerte que el del hierro con el oxígeno, con lo cual impide el acceso del oxígeno a las células, con lo que sobreviene la muerte por asfixia. El monóxido de carbono convive con los habitantes de las grandes ciudades. Su presencia en la atmósfera está relacionada con la circulación de vehículos que utilizan gasolina. En la combustión completa de la gasolina se produce CO 2. Este gas es menos tóxico que el monóxido de carbono (CO). Las ecuaciones balanceadas de formación de CO y CO 2 a partir de la gasolina (formada por octano, C8H18) son las siguientes: 2C8H18 + 25O2 → 16CO2 + 18H2O 2C8H18 + 17O2 → 16CO + 18H2O Por las ecuaciones se sabe que la producción de CO ocurre cuando hay menos oxígeno presente (17 moles). La combustión de la gasolina (C8H18) en presencia de poco oxígeno favorece la formación de CO. Experimentalmente se ha obtenido la proporción de CO y CO 2 que se produce en función de la cantidad de oxígeno que se emplea por mol de gasolina quemada. Es recomendable que el pistón reciba una cantidad de sustancia de alrededor de 13 moles de O2 por cada mol de gasolina, para con ello estar por encima de las cantidades estequiométricas necesarias para la formación del dióxido de carbono. Así se produce muy poco CO y no se entorpece el funcionamiento del motor.

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APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS.

En las reacciones de combustión de la gasolina, el O 2 tiene que ser el reactivo en exceso para así evitar la formación del gas más tóxico, el CO. Una buena medida para reducir la contaminación, quizás la mejor, es afinar el motor lo más frecuentemente posible. La afinación incluye la limpieza de las partes por las que fluye el aire hacia el interior del motor y la calibración de las válvulas de acceso. ¿Es suficiente que en la industria automotriz se conozca a detalle el manejo de las ecuaciones involucradas o a todos los ciudadanos nos compete una parte del cuidado ambiental?, ¿Las implicaciones económicas son solo a partir del conocimiento de la reacciones de combustión de la gasolina?

Cierre Actividad: 4 Lee el texto “Acido sulfúrico” y responde lo que se te solicita al final del mismo. Ácido sulfúrico. El ácido sulfúrico es el compuesto que se produce en mayor cantidad en el mundo. Comercialmente el ácido sulfúrico se prepara en disoluciones, cuya pureza se expresa en porcentajes. Así tenemos ácido sulfúrico al 78%, al 93% y al 99% de pureza. El ácido sulfúrico es el eslabón principal en la cadena de producción de muchos productos químicos. Se usa en la síntesis química de muchos fármacos, en la fabricación de baterías, en la purificación del petróleo, en metalurgia el ácido sulfúrico se emplea para eliminar las capas de óxido formadas sobre el acero y en la producción de fibras sintéticas y colorantes. De él se obtiene el sulfato de amonio que se utiliza en la fabricación de fertilizantes. En los detergentes se utilizan sulfatos y sulfonatos que también provienen del ácido sulfúrico, también se emplea en la purificación de grasas y aceites. De esta forma, el ácido sulfúrico no es sólo responsable de la lluvia ácida. Sus aplicaciones son diversas y muy importantes. El ácido sulfúrico se encuentra disponible comercialmente en un gran número de concentraciones y grados de pureza. Existen dos procesos principales para la producción de ácido sulfúrico, el método de cámaras de plomo y el proceso de contacto. El proceso de cámaras de plomo es el más antiguo de los dos procesos y es utilizado actualmente para producir gran parte del ácido consumido en la fabricación de fertilizantes. Este método produce un ácido relativamente diluido (62%-78% H2SO4). El proceso de contacto produce un ácido más puro y concentrado, pero requiere de materias primas más puras y el uso de catalizadores costosos. Por este método, la conversión total puede ser incrementada desde el 98% al 99.5-99.8%, por consiguiente reduciendo la emisión del SO2 convertido a la atmósfera. El proceso se basa en el empleo de un catalizador para convertir el SO2 en SO3, del que se obtiene ácido sulfúrico por hidratación. 2 SO2 + O2 → 2 SO3 SO3 + H2O → H2SO4 El proceso de contacto ha sido mejorado en todo detalle y es ahora una de las industrias de bajo costo, con un proceso automático continuo. Todas las nuevas plantas de ácido sulfúrico usan el proceso de contacto. Las pocas plantas de pequeña capacidad emplean la cámara de procesamiento que representa el 5% de las plantas de ácido sulfúrico.

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Actividad: 4 (continuación) Con base en lo leído responde:

¿Por qué esta sustancia (H2SO4) es tan importante para la industria? ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________

2 SO3

___________________________________________________________________

H2SO4

___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________

H2O

___________________________________________________________________ ¿Por qué el proceso de contacto para la producción de ácido sulfúrico, se puede considerar de menor impacto ambiental? __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ Menciona las implicaciones económicas y ecológicas de hacer reaccionar 30 moles de SO 2 con 10 moles de O2, para obtener SO3, esto como parte del proceso de producción de H2SO4. ___________________________________________________________________ 2 SO2 ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________

2 SO3

___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________

O2

___________________________________________________________________ Calcula la producción real, en gramos de ácido sulfúrico, que se obtiene a partir de la reacción de 300 moles de SO3; por el método de contacto alcanzando una conversión del 98%.

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APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS.

Evaluación Actividad: 4 Conceptual Analiza las implicaciones ecológicas, industriales y económicas de los cálculos estequiométricos. Autoevaluación

BLOQUE 1

Producto: Cuestionario.

Puntaje:

Saberes Procedimental

Actitudinal Reflexiona sobre la importancia Argumenta las implicaciones, de la aplicación correcta de industriales, ecológicas y cálculos estequiométricos para económicas ocasionadas a partir evitar problemas de carácter de los cálculos estequiométricos. ecológico y económico. Calificación otorgada por el C MC NC docente

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52

APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS.

Actúa para disminuir la contaminación del aire, del agua y del suelo.

Unidad de competencia:

Establece la relación que existe entre de las propiedades de la materia y los cambios que se dan en ella, por efectos de la energía. Asimismo, valora los beneficios y riesgos que tiene utilizar la energía en su vida cotidiana y el medio ambiente.

Atributos a desarrollar en el bloque:

Durante el presente bloque se busca desarrollar los siguientes atributos de las competencias genéricas: 3.2 Toma decisiones a partir de la valoración de las consecuencias de distintos hábitos de consumo y conductas de riesgo. 4.1 Expresa ideas y conceptos mediante representaciones lingüísticas, Matemáticas o gráficas. 5.1 Sigue instrucciones y procedimientos de manera reflexiva, comprendiendo cómo cada uno de sus pasos contribuye al alcance de un objetivo. 5.2 Ordena información de acuerdo a categorías, jerarquías y relaciones. 5.3 Identifica los sistemas y reglas o principios medulares que subyacen a una serie de fenómenos. 5.4 Construye hipótesis y Diseña y aplica modelos para probar su validez. 5.6 Utiliza las tecnologías de la información y comunicación para procesar e interpretar información. 6.1 Elige las fuentes de información más relevantes para un propósito específico y discrimina entre ellas de acuerdo a su relevancia y confiabilidad. 6.3 Reconoce los propios prejuicios, modifica sus propios puntos de vista al conocer nuevas evidencias, e integra nuevos conocimientos y perspectivas al acervo con el que cuenta. 7.1 Define metas y da seguimiento a sus procesos de construcción de conocimientos. 8.1 Propone manera de solucionar un problema y desarrolla un proyecto en equipo, definiendo un curso de acción con pasos específicos. 8.2 Aporta puntos de vista con apertura y considera los de otras personas de manera reflexiva. 8.3 Asume una actitud constructiva, congruente con los conocimientos y habilidades con los que cuenta dentro de distintos equipos de trabajo.

Tiempo asignado: 8 horas.

Secuencia didáctica 1. Contaminación: causas y efectos. Inicio Actividad: 1 Escribe lo que conoces de los siguientes conceptos.

Biodegradable

Contaminante

Sustentable

Residuo

Impacto ambiental

Evaluación Actividad: 1 Conceptual Caracteriza conceptos.

Autoevaluación

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Producto: Respuesta breve

Puntaje:

Saberes Procedimental Actitudinal Expresa por escrito los Expresa con precisión sus ideas. conocimientos previos sobre contaminación ambiental. C MC NC Calificación otorgada por el docente

ACTÚA PARA DISMINUIR LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE, DEL AGUA YDEL SUELO

Desarrollo Los recursos naturales de nuestro país. Los seres vivos tienen necesidades básicas que satisfacer para sobrevivir, tal es el caso de los humanos. El listado de satisfactores que demanda el humano es entre otros la alimentación, agua, energía, materiales para elaborar ropa, espacios donde construir las viviendas, aire que respira, combustibles, etcétera. ¿De dónde se obtienen tales recursos? Al encender una estufa, conducir un automóvil, comer una fruta o leer una revista, se hace uso de recursos naturales. Los recursos naturales son aquellos materiales o productos que proporciona naturalmente la Tierra y los seres vivos utilizan para su beneficio (satisfacer sus necesidades). Estos recursos incluyen el suelo, el agua, los cultivos, la vida salvaje, las especies domesticas, el aire, el petróleo, el carbón y los minerales, estos señalados sólo como una muestra de lo que, sobre todo el humano, toma de la naturaleza. La República Mexicana concentra 12 de cada 100 especies conocidas en el mundo. Es el segundo lugar mundial con 804 especies de mamíferos; el cálculo total de peces marinos es de 3,500 sólo superado por la región pacifico-asiática y se calcula que posee entre 300,000 y 425,000 especies de insectos, lo que lo sitúa entre los primeros 9 países del mundo.

Quintana Roo

Se cuenta con una superficie forestal aproximada de 128 millones de hectáreas, de las cuales 65 millones corresponden a bosques y selvas. La superficie con potencial de producción maderable es de 17.8 millones de Ha, con 1,912 autorizaciones que representan un volumen estimado de tala de 8.1 millones de metros cúbicos de madera. Por otro lado, en los territorios indígenas se capta, en las partes altas de las cuencas, el 21.7% de toda el agua del país. La mitad de las selvas húmedas y de los bosques de niebla y la cuarta parte de los bosques templados están en territorio indígena y la mitad de nuestra flora, no se encuentra en ninguna otra parte del mundo. Es por ello que su protección implica la implementación de acciones de inspección y vigilancia tendientes, no sólo para preservar aquellos ya existentes, sino para garantizar que su aprovechamiento se lleve a cabo de manera equilibrada. Mariposa monarca

Derivado de lo anterior PROFEPA, (Procuraduría Federal de Protección al Ambiente) incorporó un enfoque geográfico de la problemática ambiental la cual ha permitido identificar los sitios prioritarios de atención en materia de recursos naturales. Sin embargo, no basta tener esta visión, sino que resulta importante comprender las interconexiones e interrelaciones que surgen entre ellos, para maximizar los resultados en la procuración de la justicia ambiental; en este sentido durante el 2008 se realizaron operativos conjuntos, en los que se contó, no sólo con la participación de personal de la procuraduría, sino de distintas instituciones en el ámbito federal, estatal y/o municipal como son: PFP, AFI, PGR, PROBOSQUE, SEDENA, SEMARNAT, CONANP, Policías estatales y municipales. La visión integral conjuga el análisis sistémico y geográfico, sin desvincularlos de lo económico y social, con la finalidad de impulsar la procuración de justicia ambiental con un enfoque preventivo (a través del reforzamiento de los criterios para la aplicación de medidas de seguridad y sanciones administrativas) y avanzar hacia el desarrollo sustentable.

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Como consecuencia de un mayor impulso a las políticas de inspección y vigilancia a nivel nacional, así como al reforzamiento de los criterios para la aplicación de medidas de seguridad y sanciones administrativas aplicables durante el 2008, la Subprocuraduría de Recursos Naturales realizó un total de 22,414 acciones de inspección y vigilancia, de las cuales 13,753 corresponden a inspecciones y 8,661 acciones de vigilancia. Lo anterior con la finalidad de coadyuvar a la conservación de los recursos naturales. Los cabos.

Las cifras con respecto a la observancia y cumplimiento de la normatividad ambiental indican que es necesario promover aún más el conocimiento y aplicación de las leyes, reglamentos y normas ambientales aplicables, que conlleven a la modificación de los patrones de ejecución de las obras y actividades de competencia federal. Actualmente, alrededor de un 80% de las obras y actividades que son inspeccionadas carecen de autorización en materia de impacto ambiental, lo que hace necesario incrementar las acciones de difusión de la normatividad ambiental aplicable, específicamente la Evaluación de Impacto Ambiental que es un requisito previo a iniciar cualquier obra o actividad, de manera que se puedan establecer las condiciones a las que se deberá sujetar la realización de las obras y actividades que puedan causar desequilibrio ecológico o rebasar los límites y condiciones establecidos en las disposiciones aplicables para proteger el ambiente y preservar y restaurar los ecosistemas, a fin de evitar o reducir al mínimo sus efectos negativos sobre el ambiente. Por tal motivo, en 2008 se realizaron 36 foros informativos de difusión en materia de impacto ambiental encaminados a fomentar el cumplimiento de la normatividad aplicable. Dichos foros fueron dirigidos a diversos sectores, tanto de los tres niveles de gobierno, como del sector privado, académico, consultores y ONG´s, y se efectuaron en los estados de Baja California, Baja California Sur, Chiapas, Chihuahua, Coahuila, Colima, Durango, Guanajuato, Guerrero, Hidalgo, Michoacán, Morelos, Nayarit, Oaxaca, Puebla, Querétaro, San Luis Potosí, Sinaloa, Sonora, Tabasco, Tamaulipas, Tlaxcala, Veracruz, Yucatán y Zacatecas. Montes azules, Chiapas

Con lo anterior, se reforzó la difusión de la normatividad ambiental aplicable entre los promotores de obras y actividades, con el fin de que se comprenda la importancia de la evaluación de impacto ambiental como una etapa previa al desarrollo de las obras y actividades, y estén conscientes de las sanciones aplicables en caso de incumplimiento. El fomento de esta cultura ambiental es una obligación de las entidades gubernamentales en la perspectiva de heredar mejores condiciones sociales y ambientales que garanticen un medio ambiente adecuado para las siguientes generaciones.

INFORME PROFEPA 2008 Recursos Naturales.

La contaminación no es otra cosa que la destrucción de nuestros recursos . Richard Buckminster Fuller

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ACTÚA PARA DISMINUIR LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE, DEL AGUA YDEL SUELO

Actividad: 2 A partir de la lectura del informe de PROFEPA escribe una reflexión sobre los recursos naturales en nuestro país. Los recursos naturales en nuestro país:

Evaluación Actividad: 2 Conceptual Identifica hechos cotidianos asociados a la química.

Producto: Respuesta a pregunta Saberes Procedimental Analiza el impacto de los conocimientos y aportaciones de la Química a la calidad de vida. Expresa por escrito sus conclusiones. C

Autoevaluación

BLOQUE 2

MC

NC

Puntaje: Actitudinal Aprecia el impacto de la Química en tu vida diaria.

Calificación otorgada por el docente

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Contaminación ambiental. ¿Qué es el ambiente? Es el conjunto de seres vivos, (animales, plantas y seres humanos) su espacio físico y las interacciones que se dan entre ellos. La contaminación es uno de los problemas ambientales más importantes que afectan a nuestro planeta y surge cuando se produce un desequilibrio como resultado de la adición de cualquier sustancia al medio ambiente (contaminante), en cantidad tal, que cause efectos adversos en el hombre, en los animales, vegetales o materiales, expuestos a dosis que sobrepasen los niveles aceptables en la naturaleza.

Contaminación

“Es un cambio perjudicial en las características físicas, químicas y biológicas de nuestro aire, tierra y agua, que puede afectar o afectara nocivamente la vida humana y la de especies beneficiosas.” (Odum, Eugene. Ecologia. Edit. Cecsa. México, 1986.)

“Impregnación del aire, el agua o el suelo con productos que afectan a la salud del hombre, la calidad de vida o el funcionamiento natural de los ecosistemas.” Enciclopedia Encarta

En cuanto a su origen, la contaminación puede ser natural o antropogénica (producida por los humanos). La contaminación natural es resultado del equilibrio dinámico de la tierra, actividades geofísicas y ciclos naturales. Por ejemplo, un volcán genera grandes cantidades de Material Particulado en Suspensión (MPS) el cual está constituido por partículas sólidas o líquidas, dispersas en un medio gaseoso como puede ser la atmósfera. Estas minúsculas partecitas son tan pequeñas que tardan mucho tiempo en caer al suelo y es por eso que se dice que están suspendidas. Y por ello es que puede ser contaminante porque entra en los pulmones de los seres vivos y daña su sistema respiratorio. Generalmente la contaminación de origen natural nunca es tan grave como la de origen antropogénico, de la misma manera que sus aspectos adversos, sobre todo a largo plazo, son menores; debido a los ciclos de la propia naturaleza (la materia y la energía no se crean ni se destruyen solo se transforman). Afortunadamente la naturaleza tiene la capacidad de depurar en cierta medida la presencia de contaminantes. La lluvia, el viento y la vegetación pueden remover los contaminantes, transformarlos o inmovilizarlos, haciendo que no sean nocivos a los organismos; sin embargo, es natural que esta capacidad de limpieza tenga límites, por lo que los problemas reales de contaminación surgen cuando las emisiones contaminantes son excesivas y sobrepasan dicha capacidad.

Cuando la contaminación resulta de las actividades realizadas por el hombre, se dice que es de origen antropogénico. Por ejemplo, en muchas explotaciones mineras también se genera material particulado en suspensión (MPS) cuyos efectos para la salud de la población y el ambiente pueden ser similares pero en este caso el origen de esta contaminación ha sido el hombre. El MPS es generado principalmente por actividades industriales (cemento, carbón, metalúrgica, pintura, insecticidas, trituración de rocas), emisiones del transporte, eliminación de residuos sólidos (cremaciones, incineraciones), incendios forestales, cremaciones agrícolas, hollín, cigarrillo, aserrín. Como fuente de emisión se entiende el origen físico o geográfico donde se produce una liberación contaminante al ambiente, ya sea al aire, al agua o al suelo. Las fuentes que generan contaminación de origen antropogénicas más importantes son: industriales, comerciales (envolturas y empaques), agrícolas (agroquímicos), domiciliarias (envases, pañales, restos de jardinería) y fuentes móviles (gases de combustión de vehículos).

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ACTÚA PARA DISMINUIR LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE, DEL AGUA YDEL SUELO

Se denomina contaminación ambiental a la presencia en el ambiente de cualquier agente (físico, químico o biológico) o bien de una combinación de varios agentes en lugares, formas y concentraciones tales que sean o puedan ser nocivos para la salud, la seguridad o para el bienestar de la población; o bien, que puedan ser perjudiciales para la vida vegetal o animal, o impidan el uso normal de las propiedades y lugares de recreación y goce de los mismos. El progreso tecnológico por una parte, y el acelerado crecimiento demográfico por la otra, producen la alteración del medio, llegando en algunos casos a atentar contra el equilibrio biológico de la Tierra. No es que exista una incompatibilidad absoluta entre el desarrollo tecnológico, el avance de la civilización y el mantenimiento del equilibrio ecológico, pero es importante que el hombre sepa armonizarlos. Para ello es necesario que proteja los recursos renovables y no renovables y que tome conciencia de que el saneamiento del ambiente es fundamental para la vida sobre el planeta. Se puede hacer referencia a los tipos de contaminación ambiental por el componente ambiental que afectan (agua, suelo o aire), o bien, por el tipo de contaminante (físico, biológico o químico). Ejemplo de contaminantes físicos son el ruido, las radiaciones y el calor, entre los biológicos están, el Vibrio cholerae cuando se encuentra en el agua o diversas especies de Salmonella presentes en alimentos. Algunos contaminantes químicos son los clorofluorocarbonos (CFC) o los detergentes en los cuerpos de agua. Tradicionalmente el medio ambiente se ha dividido para su estudio y su interpretación, en tres componentes que son: aire, agua y suelo; sin embargo, esta división es meramente teórica, ya que la mayoría de los contaminantes interactúan con más de uno de los elementos del ambiente. Tipos de Contaminación Contaminación del agua. Contaminación del suelo. Contaminación del aire. Contaminación sonora. Contaminación visual. Contaminación térmica. Tipos de contaminantes. Los contaminantes pueden ser en forma de partículas sólidas, gotas de líquido, o gases. Además, pueden ser naturales o causados por el hombre. Un aspecto importante a tener en cuenta cuando se analizan los casos de contaminación es estudiar lo que sucede con la sustancia luego del depósito o derrame. Los contaminantes pueden clasificarse como primarios o secundarios. Se denominan contaminantes primarios a aquéllos que son emitidos directamente desde la fuente original o los focos contaminantes, tales como cenizas de una erupción volcánica, el gas de monóxido de carbono de un vehículo de motor o escape de dióxido de azufre liberado por las fábricas. Son sustancias que tienen efectos contaminantes desde el momento mismo del vertido, y contaminantes secundarios a aquellos que se originan en la atmósfera, en el agua o en el suelo por reacción entre dos o más contaminantes primarios o entre un contaminante primario y algún constituyente normal del medio. Un ejemplo importante de un contaminante secundario es el ozono troposférico, (cuando el ozono se encuentra en la zona más baja de la atmosfera) uno de los muchos contaminantes secundarios que forman smog fotoquímico.

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Se debe tener en cuenta que algunos contaminantes pueden ser tanto primarios como secundarios: es decir, ya sea emitidos directamente o bien se forman a partir de otros contaminantes primarios. Los factores atmosféricos que pueden modificar a los diversos contaminantes son temperatura, luz, humedad y vientos.

Actividad: 3 Lee el tema “Contaminación ambiental” y participa en la siguiente actividad grupal. Cada integrante del equipo elabore máximo tres reactivos (opción múltiple, completar, pregunta de respuesta breve, relacionar, etc.). Sólo formulen la pregunta o reactivo no lo respondan. Los equipos deben intercambiar sus reactivos para responderlos. Una vez resueltos se regresan al equipo que planteó la pregunta; para revisarlos y realizar comentarios sobre la actividad. Entregar los reactivos resueltos al profesor(a). Hacer preguntas es prueba de que se piensa Rabindranat Tagore

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ACTÚA PARA DISMINUIR LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE, DEL AGUA YDEL SUELO

Actividad: 3 (continuación)

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Evaluación Actividad: 3

Producto: Reactivos.

Conceptual Reconoce y clasifica los tipos de contaminación y contaminantes.

Saberes Procedimental Actitudinal Formula preguntas a partir de una Practica con interés la lectura de lectura. comprensión. C MC NC Calificación otorgada por el

Coevaluación

Puntaje:

docente

Contaminación del agua, aire y suelo. Contaminación del agua. Es la alteración de sus características naturales principalmente producida por la actividad humana o por la actividad de la naturaleza (yacimientos de metales pesados o de minerales tóxicos) que la hace total o parcialmente inadecuada para el consumo humano o como soporte de vida para plantas y animales (ríos, lagos, mares, etc.). La incorporación al agua de materias extrañas, como microorganismos, productos químicos, residuos industriales, y de otros tipos o aguas residuales deterioran la calidad del agua y la hacen inútil para los usos pretendidos. Para determinar la calidad del agua es necesario analizar parámetros físicos, químicos y biológicos: Físicos: son el color, el olor, turbidez, gusto, temperatura, sustancias flotantes, oxígeno disuelto en el agua. Químicos orgánicos: cantidad de compuestos orgánicos como proteínas, carbohidratos, grasas, aceites. Para determinarlos se utiliza la demanda bioquímica de oxígeno (DBO). Si la DBO es baja, hay poca contaminación; sí es alta existe mucha contaminación. Químicos inorgánicos: los más usuales son pH, alcalinidad, concentración de cloruros, sulfatos, nitratos, fosfatos. Biológicos: se basan en la presencia de microorganismos indicadores de las posibles contaminaciones. Para el análisis del agua se utilizan sistemas cuantitativos: concentración de microorganismos y sistemas cualitativos que sólo informan la presencia o ausencia de un determinado organismo. La alteración natural del agua es causada por la entrada de polen, esporas, hojas, excrementos de animales arrastrados por escurrimiento. Generalmente esta contaminación es eliminada por la capacidad auto depuradora del agua.

¿Sabías que…

Según la Organización Mundial de la Salud el 80 % de las enfermedades infecciosas y parasitarias gastrointestinales y una tercera parte de las defunciones causadas por éstas se deben al uso y consumo de agua insalubre. También reconoce este organismo internacional que solo un 41% de la población mundial consume agua tratada y desinfectada como para ser considerada “segura”.

La contaminación de origen antropogénico se clasifica según el uso del agua en: urbano, industrial, agrícola y otros. Principales causas: Arrojo de residuos sólidos domésticos e industriales. Descarga de desagües domésticos e industriales. Arrojo de aceites usados. Derrames de petróleo. Detergentes Grandes cantidades de calor.

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ACTÚA PARA DISMINUIR LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE, DEL AGUA YDEL SUELO

Contaminación del suelo. Es la incorporación al suelo de materias extrañas como basura, desechos tóxicos, productos químicos, y desechos industriales. La contaminación del suelo produce un desequilibrio físico, químico y biológico que afecta negativamente las plantas, animales y humanos. La destrucción y el deterioro del suelo son muy frecuentes en las ciudades y sus alrededores, pero se presentan en cualquier parte donde se arroje basura o sustancias contaminantes al suelo mismo, al agua o al aire. Cuando se arroja la basura al aire libre, ésta permanece en un mismo lugar durante mucho tiempo, parte de la basura orgánica (residuos de alimentos como cascaras de fruta, pedazos de tortilla, etc.) se fermenta, además de dar origen a mal olor y gases tóxicos, al filtrarse a través del suelo en especial cuando éste es permeable, (deja pasar los líquidos) contamina con hongos, bacterias, y otros microorganismos patógenos (productores de enfermedades), no solo ese suelo, sino también las aguas superficiales y las subterráneas que están en contacto con él, interrumpiendo los ciclos biogeoquímicos y contaminando. Por ello es fundamental no destruir ni deteriorar el suelo. Sin embargo éste puede destruirse por fenómenos naturales como son la erosión producida por el viento o el agua, los incendios forestales. Además, una buena parte de la destrucción y el deterioro del suelo se deben hoy a la contaminación, ya sea del agua, del aire o del suelo mismo, por basura u otros contaminantes. Principales Causas: Arrojo de residuos sólidos domésticos e industriales. Arrojo de aceites usados. Uso indiscriminado de agroquímicos. Deforestación. Derrames de petróleo. Relaves mineros (residuos tóxicos). Fuentes de información recomendadas: Programa Ambiental Frontera 2012 México-Estados Unidos Reduciendo la Contaminación del Suelo en Sonora-Arizona Agosto del 2008

Sitios Web recomendados: Programa Frontera 2012 de la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) www.epa.gov/Border2012 Departamento de Calidad Ambiental de Arizona (ADEQ) www.azdeq.gov Secretaría del Medio Ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT) www.semarnat.gob.mx Comisión de Ecología y Desarrollo Sustentable (CEDES) www.cedes.gob.mx Comisión de Cooperación Ecológica Fronteriza (COCEF) www.cocef.org

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Contaminación del aire. Es la adición dañina a la atmósfera de gases tóxicos, CO, u otros que alteran el normal desarrollo de plantas, animales y que afectan negativamente la salud de los humanos. Consiste en la presencia en el aire de sustancias que alteran su calidad y contaminan a los seres vivos y al medio en general. Principales causas: Humos de los tubos de escape de los carros. Humos de las chimeneas de las fábricas. Quema de basuras y restos de cultivos. Polvos industriales (cemento, yeso, concentrado de minerales, etc.). Incendios forestales. Erupciones volcánicas. A la contaminación atmosférica de las áreas urbanas, se le designa comúnmente con el nombre de smog. Hay dos tipos muy diferentes de smog: Smog Industrial. El llamado smog industrial o gris fue muy típico en algunas ciudades grandes, como Londres o Chicago, con mucha industria, en las que, hasta hace unos años, se quemaban grandes cantidades de carbón y petróleo pesado con mucho azufre, en instalaciones industriales y de calefacción. En estas ciudades se formaba una mezcla de dióxido de azufre, gotitas de ácido sulfúrico formado a partir del anterior y una gran variedad de partículas sólidas en suspensión, que originaba una espesa niebla cargada de contaminantes, con efectos muy nocivos para la salud de las personas y para la conservación de edificios y materiales. Smog fotoquímico. En muchas ciudades el principal problema de contaminación es el llamado smog fotoquímico, una mezcla de contaminantes de origen primario (NOx e hidrocarburos volátiles) con otros secundarios (ozono, peroxiacilo, radicales hidroxilo, etc.) que se forman por reacciones producidas por la luz solar al incidir sobre los primeros. Esta mezcla oscurece la atmósfera dejando un aire teñido de color marrón rojizo cargado de componentes dañinos para los seres vivos y los materiales. Aunque prácticamente en todas las ciudades del mundo hay problemas con este tipo de contaminación, es especialmente dañino en las que están en lugares con clima seco, cálido y soleado, y con gran circulación de vehículos. Las reacciones fotoquímicas que originan este fenómeno suceden cuando la mezcla de óxidos de nitrógeno e hidrocarburos volátiles emitida por los automóviles y el oxígeno atmosférico reaccionan, inducidos por la luz solar, en un complejo sistema de reacciones que acaba formando ozono. El ozono es una molécula muy reactiva que sigue reaccionando con otros contaminantes presentes en el aire y acaba formando un conjunto de varias decenas de sustancias distintas como nitratos de peroxiacilo (PAN), peróxido de hidrógeno (H 2O2), radicales hidroxilo (OH), formaldehído, etc. Estas sustancias, en conjunto, pueden producir importantes daños en las plantas, irritación ocular, problemas respiratorios, etc.

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ACTÚA PARA DISMINUIR LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE, DEL AGUA YDEL SUELO

Condiciones meteorológicas Causas contaminantes

Ambiente químico Estación característica Horario Efectos sobre la salud Ciudad tipo

Tipos de smog Smog clásico (industrial) •Baja insolación •Baja velocidad del viento •Temperatura= 0°C •Combustiones industriales y domésticas •Dióxido de azufre •Partículas Reductor Invierno Cerca del amanecer Irritación de las vías respiratorias Londres

Smog fotoquímico •Alta insolación •Baja velocidad del viento •Temperatura > 18°C •Tránsito automovilístico •Óxidos de nitrógeno, ozono, monóxido de carbono, aldehídos, hidrocarburos Oxidante Verano Al mediodía Irritación de los ojos Los Ángeles

Algunos fenómenos climatológicos, como las inversiones térmicas, pueden agravar este problema en determinadas épocas ya que dificultan la renovación del aire y la eliminación de los contaminantes. En la situación habitual de la atmósfera la temperatura desciende con la altitud lo que favorece que suba el aire más caliente (menos denso) y arrastre a los contaminantes hacia arriba. En una situación de inversión térmica una capa de aire más cálido se sitúa sobre el aire superficial más frío e impide la ascensión de este último (más denso), por lo que la contaminación queda encerrada y va aumentando.

Los contaminantes del aire de criterio son sustancias transportadas por aire para las cuales los Estados Unidos y México han establecido límites de exposición basados en la salud. En EE.UU., la Environmental Protection Agency (EPA), agencia de protección ambiental, establece límites denominados "normas nacionales de calidad del aire ambiental". En México, la Secretaría del Medio Ambiente y Recursos Naturales Contaminación en espacios (SEMARNAT) establece límites denominados Normas Ambientales para Aire. cerrados.

Los contaminantes del aire de criterio son: Monóxido de carbono (CO). Ozono (O3). Dióxido de nitrógeno (NO2). Dióxido de azufre (SO2). Materia particulada de 2.5 micrómetros o menos de diámetro (PM2.5) (Sólo para EE.UU). Materia particulada de 10 micrómetros o menos de diámetro (PM10). Materia particulada suspendida total (Sólo para México). Plomo (Pb).

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Fumar un cigarro, pipa o puro libera una mezcla compleja de más de 4000 compuestos, más de 40 de ellos se sabe que provocan cáncer en humanos y animales y muchos de ellos son fuertemente irritantes. Fuente: US Environmental Protection Agency.

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El dióxido de nitrógeno y el dióxido de azufre, sirven como indicadores de las concentraciones de varios compuestos químicamente similares, óxidos de nitrógeno (NOx) y óxidos de azufre (SOx). El plomo es un componente de la materia particulada. Fuente: CICA, Centro de Información sobre Contaminación de Aire.

Dos imágenes de la ciudad de México.

¿Qué es una contingencia ambiental? •Es un conjunto de medidas que aplican cuando se presenta un episodio de contaminación severa, durante el cual, las concentraciones de ozono (O3) o de partículas menores a 10 micrómetros (PM10) alcanzan niveles que ponen en riesgo la salud de la población en general y producen efectos adversos en los sensibles como niños, adultos mayores, personas con enfermedades respiratorias o cardiovasculares. La contingencia ambiental se aplica con el propósito de reducir los niveles de contaminación en el aire.

La contaminación del aire no es exclusiva de las grandes ciudades, sin embargo, la presencia de contaminantes tóxicos representa uno de los principales problemas ambientales, sobre todo en sitios con las características económicas, sociales y fisiográficas de la Ciudad de México.

¿Cómo se mide la contaminación del aire en la Ciudad de México? La medición de la contaminación se realiza con instrumentos sensibles, que analizan muestras de aire en el ambiente con concentraciones de contaminantes muy pequeñas. Estos instrumentos son como laboratorios en miniatura y no requieren de un operador. Los resultados de más de 188 instrumentos instalados en las 34 estaciones de monitoreo distribuidas por toda la Zona Metropolitana del Valle de México son procesados cada minuto de manera electrónica y transmitidos vía telefónica hasta el Centro de Información de la Calidad del Aire (CICA) en donde se difunden como Índice Metropolitano de la Calidad del Aire (IMECA) en la página de Internet. El IMECA se difunde para contaminantes como ozono (O3), partículas menores a diez micrómetros (PM10), dióxido de azufre (SO2), dióxido de nitrógeno (NO2) y monóxido de carbono (CO). En el siguiente cuadro se da información detallada por color e intervalo del IMECA:

El Sistema de Monitoreo Atmosférico de la Ciudad de México (SIMAT) cuenta además con equipos que toman muestras de aire, partículas suspendidas y agua de lluvia. Estas son analizadas con métodos químicos en el Laboratorio de Análisis Ambiental para conocer si contienen compuestos tóxicos o para evaluar el grado de acidez del agua de lluvia.

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ACTÚA PARA DISMINUIR LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE, DEL AGUA YDEL SUELO

En el siguiente cuadro se proporciona información detallada por color e intervalo del IMECA, así como el punto en que se recomienda iniciar el programa de contingencia ambiental:

¿Que son los gases de efecto invernadero (GEI)? Son gases de origen natural o producidos por las actividades humanas que capturan parte de la energía infrarroja emitida por el Sol y la superficie de la Tierra, lo cual produce un calentamiento de la atmósfera. Los principales GEI son el dióxido de carbono, el vapor de agua, el metano y los clorofluorocarburos (CFC). Hoy en día existe una mayor producción de estos gases, lo que ha resultado en el incremento de la temperatura de la Tierra y la preocupación de los efectos que pudiesen derivarse de este aumento.

Los principales contaminantes primarios producidos por la actividad humana son: Óxidos de azufre Óxidos de Nitrógeno Monóxido carbónico Componentes orgánicos volátiles Cloro fluoro carbonatos

Un ejemplo de contaminante secundario es lo que le sucede al dióxido de azufre SO2 emitido a la atmósfera que se oxida y forma el trióxido de azufre SO3 por la reacción: 2SO2 + O2 → 2SO3.

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¿Qué es un contaminante tóxico?

Desechos radiactivos

•Son sustancias venenosas que se encuentran en el aire y dañan el medio ambiente y la salud de los seres humanos. Pueden provenir de fuentes naturales como erupciones volcánicas, incendios forestales o desprenderse de la corteza terrestre, como el radón; también se producen en las actividades industriales, de servicios o transporte. La inhalación de contaminantes tóxicos puede incrementar el riesgo de desarrollar problemas de salud y enfermedades como el cáncer.

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La formación de la lluvia ácida es otra transformación de contaminantes primarios a secundarios, las reacciones involucradas se muestran en la siguiente imagen:

Lluvia ácida. Este término suena casi a ciencia ficción pero no es así. Desafortunadamente, la lluvia ácida realmente existe y es un término que se ha usado para describir el proceso por el cual ciertos ácidos se forman en la atmósfera a partir de contaminantes y luego se precipitan a la tierra. Los científicos saben que el dióxido de azufre (SO2) y los óxidos de nitrógeno (NOx), resultado de la quema de combustibles fósiles, causan la lluvia ácida. Estas sustancias, en presencia de agua, oxígeno y otros compuestos químicos forman ácidos (como el ácido sulfúrico H2SO4 y el nítrico HNO3) que se precipitan a tierra ya sea acompañado por agua, en el caso de lluvia, nieve o niebla ácidas o en forma seca, es decir, como gases o partículas. El pH (escala que mide qué tan ácida o básica es una sustancia) de la lluvia normal es de alrededor de 6, mientras que la lluvia ácida oscila entre 4.0 y 4.5 en promedio, aunque todo valor menor a 6 se considera ácida.

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Glosario: ¿Qué es el agua dura? En química, el agua dura es aquella que posee una dureza superior a 120 mg CaCO3/l. Es decir que contiene un alto nivel de minerales, en particular sales de magnesio y calcio. Son éstas las causantes de la dureza del agua, y el grado de dureza es directamente proporcional a la concentración de sales metálicas. Desde antaño se le conoce como agua dura porque dificulta la limpieza. Es fácil de reconocer, pues es un agua que no produce espuma con el jabón.

ACTÚA PARA DISMINUIR LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE, DEL AGUA YDEL SUELO

pH del agua de lluvia en diferentes regiones del mundo.

La lluvia ácida constituye un indicador de la calidad del aire. Mediante la medición de algunos parámetros en el agua de lluvia se puede saber qué tan contaminada está la atmósfera y qué tan eficaces han sido las medidas para combatir la emisión de contaminantes precursores de lluvia ácida (óxidos de nitrógeno y azufre).

La acidez de la lluvia provoca la pérdida de fertilidad del suelo. En las plantas ocasiona la pérdida de hojas y debilita su tallo.

También es posible conocer la relación entre las zonas que presentan este fenómeno con daños observados a flora, fauna, salud humana y materiales para así continuar con las medidas de prevención y control e incluso hacerlas más estrictas. La lluvia ácida también afecta el patrimonio cultural, ya que daña edificios, monumentos históricos, estatuas y otras estructuras de importancia cuya pérdida sería invaluable, el daño se presenta en los materiales que recubren dichas estructuras. Por lo anterior, la lluvia ácida no es sólo un problema ambiental, es además un factor de daño económico por su repercusión en los recursos naturales y el deterioro de monumentos históricos. En nuestro país se realizan investigaciones para restaurar edificios históricos dañadas por los efectos de la lluvia ácida, tal como se da a conocer en la siguiente noticia tomada de www.inah.gob.mx

Resguardan de la lluvia ácida a monumentos del Golfo. Viernes, 22 de agosto de 2008 www.inah.gob.mx

Expertos del Instituto Nacional de Antropología e Historia (INAH), en coordinación con la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), trabajan en la investigación de nuevos materiales y técnicas de conservación del patrimonio cultural de México, afectado por la contaminación ambiental y la lluvia ácida. El estudio se enfoca de manera principal en la zona del golfo de México, uno de los lugares donde se tiene el ambiente más corrosivo del país, debido a los complejos petroleros instalados en la zona. Las fuentes de contaminación son: el Complejo Industrial de Pajaritos, el complejo de Altamira, en Tampico, entre otros. El proyecto consiste en verificar el pH (nivel de acidez) de los lugares donde se realiza la investigación (Tajín y San Juan de Ulúa, Veracruz), para conocer las consecuencias de la lluvia ácida en los monumentos e implementar nuevas técnicas de restauración en los sitios históricos, que son afectados por contaminantes como: dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno, y el trióxido de azufre que transporta el viento provocando daños en los edificios. La Sección de Contaminación Ambiental (SCA) del Centro de Ciencias de la Atmósfera, de la UNAM, a cargo del investigador Humberto Bravo Álvarez, es la instancia que estudia los efectos que causa la deposición ácida en el material calizo de las construcciones investigadas. Desde hace cuatro años, Bravo Álvarez y su equipo iniciaron el trabajo en la zona del Tajín. Ahí tomaron, de manera constante, muestras de lluvia, tanto seca (partículas) como húmeda (precipitación pluvial) para medir, además, la cantidad de agua que precipitó, su nivel de cloro, sulfatos y nitratos para así determinar y caracterizar la acidez.

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Actividad: 4 Con base en la información sobre contaminación del aire responde el siguiente cuestionario.

Pregunta

Respuesta

Menciona los principales fenómenos de la contaminación atmosférica.

¿Qué relación existe entre el smog y la lluvia ácida?

¿Qué es la inversión térmica?

¿Cuáles son los efectos de la contaminación atmosférica?

¿Qué es el IMECA?

¿Qué problemas de contaminación atmosférica se presentan en tu localidad y/o qué otros pudieran surgir?

Evaluación Actividad: 4

Producto: Cuestionario. Conceptual

Caracteriza la inversión térmica, smog y lluvia ácida. Autoevaluación

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Puntaje:

Saberes Procedimental Explica el impacto de la inversión térmica, smog y lluvia ácida, en su medio ambiente. C

MC

NC

Actitudinal Practica la lectura como un medio para desarrollar su pensamiento crítico.

Calificación otorgada por el docente

ACTÚA PARA DISMINUIR LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE, DEL AGUA YDEL SUELO

Contaminación sonora (acústica). Consiste en los ruidos molestos provocados por los seres humanos que afectan la tranquilidad y salud de todos los seres vivos. Principales causas: Ruido de los carros, aviones, helicópteros, etc. Ruido de motores y máquinas industriales. Ruido de equipos electrónicos. Música a alto volumen (publicidad, discotecas, etc.). Explosiones (minería, construcción civil, guerras, etc.). “Hace más ruido un árbol que cae que todo un bosque que crece”

Cardenal Oscar Andrés Rodríguez.

Contaminación visual Es la ruptura del equilibrio natural del paisaje por la gran cantidad de avisos publicitarios o colores que por su variedad e intensidad afectan las condiciones de vida de los seres vivos. Principales causas: Exceso de avisos publicitarios e informativos. Luces y colores intensos Cambios del paisaje natural por actividades humanas (campamentos petroleros, mineros, crecimiento de las ciudades, etc.) Contaminación térmica Consiste en el constante aumento de la temperatura promedio de la tierra que está produciendo cambios en el clima, inundaciones, sequías, etc. Principales causas:     

Generación de gases efecto invernadero (CO, CH4, CFC, etc.). Calor emitido por focos y fluorescentes. Calor emitido por motores de combustión interna. Calor emitido por fundiciones. Centrales eléctricas (termoeléctricas).

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Contaminación en México. Como consecuencia de varios siglos de actividad minera en México y posteriormente, debido a la industria de la química básica, petroquímica y de refinación del petróleo, se han producido cantidades muy grandes, pero muy difíciles de cuantificar, de residuos peligrosos. Aunado a lo anterior, la intensa actividad de otras industrias junto con accidentes durante el almacenamiento, transporte o trasvase de sustancias (fugas, derrames, incendios) y la disposición clandestina e incontrolada de residuos, contribuyen en gran medida a la contaminación de suelos (SEMARNAT, 2002). El número de sitios contaminados, aún en las estimaciones más conservadoras, asciende a varios miles de lugares cuyo riesgo potencial es desconocido. De acuerdo con datos publicados por el INEGI (2000), la superficie de suelo degradado por causas de contaminación en 1999 fue de 25,967 km2. Todos los eventos en los que se encuentran involucradas sustancias que implican algún riesgo para el ambiente o la población y que puedan generar la contaminación de suelos y cuerpos de agua, son conocidos como emergencias ambientales. De acuerdo con estadísticas de la Procuraduría Federal de Protección al Ambiente (PROFEPA), cada año se presentan en México un promedio de 550 emergencias ambientales asociadas con materiales y residuos peligrosos. Dentro de los compuestos peligrosos más comúnmente involucrados en emergencias ambientales, se encuentran el petróleo y sus derivados (gasolinas, combustóleo, diesel), agroquímicos, gas LP y natural, entre otros. Dentro de los contaminantes que se consideran prioritarios en México debido a su alta toxicidad y a su persistencia en el ambiente, se encuentran los siguientes: dioxinas, furanos, hexaclorobenceno, bifenilos policlorados (BPCs), plaguicidas organoclorados, mercurio, plomo, cromo, cadmio, compuestos tóxicos atmosféricos e hidrocarburos poliaromáticos (HAPs). De éstos, compuestos como los BPCs se han almacenado en tambores que, en muchas ocasiones, han sido dispuestos clandestinamente. Por su parte, los HAPs se encuentran como componentes de los hidrocarburos totales del petróleo (HTPs). Como se mencionó, en todo el país existen problemas de contaminación aún no cuantificados con precisión. Sin embargo, pueden mencionarse de manera cualitativa los problemas de contaminación generados por el uso de agroquímicos, tanto fertilizantes (en especial los nitrogenados) como de pesticidas (fungicidas, herbicidas e insecticidas); los que son consecuencia del derrame y fugas de combustibles (petróleo y derivados), así como los ligados a actividades mineras en sus etapas de extracción como en las de procesamiento de los materiales obtenidos (INEGI-SEMARNAP, 1997).

Es curioso saber que de acuerdo a la basura que produces y del ruido que haces se puede conocer parte de tu personalidad y tu modo de vida. Hermes Varillas Labrador

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ACTÚA PARA DISMINUIR LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE, DEL AGUA YDEL SUELO

Actividad: 5 (continuación)

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Aire

Agua

Suelo

Investiga los principales contaminantes del agua, aire y suelo presentes en tu comunidad (anota si el origen es industrial, urbano, agropecuario, natural y clasifícalo en primario o secundario). Registra lo que encontraste en el siguiente esquema.

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Evaluación Actividad: 5 Conceptual Identifica los contaminantes del agua, suelo y aire de uso industrial y urbano. Autoevaluación

Producto: Listado

Puntaje:

Saberes Procedimental Actitudinal Investiga y elabora un listado de los Se interesa en cuidar el contaminantes presentes en su ambiente. comunidad. C MC NC Calificación otorgada por el docente

Cierre Actividad: 6 En cuestión de contaminación es común la frase “piensa global y actúa local” (se puede añadir personal); atendiendo a esta propuesta se te indica la siguiente actividad. En equipo, elijan un problema de contaminación de su comunidad; investiguen a profundidad en que consiste el problema y propongan alternativas de prevención y solución. De ser posible incluyan las reacciones entre contaminantes que se presentan en la problemática elegida. Entreguen su información a manera de periódico mural, presentación digital, dípticos u otro medio de difusión

Actividad: 6 Conceptual Identifica problemas ambientales en su comunidad. Coevaluación

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Evaluación Producto: Material de difusión. Saberes Procedimental Investiga la problemática ambiental y propone alternativas de prevención y solución. C

MC

NC

Puntaje: Actitudinal Asume el compromiso de promover en su entorno la prevención y solución de la contaminación ambiental.

Calificación otorgada por el docente

ACTÚA PARA DISMINUIR LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE, DEL AGUA YDEL SUELO

Carta de la Tierra. Principios. Integridad ecológica    

Proteger y restaurar la integridad de los sistemas ecológicos de la Tierra, con especial preocupación por la diversidad biológica y los procesos naturales que sustentan la vida. Evitar dañar, como el mejor método de protección ambiental, y cuando el conocimiento sea limitado, proceder con precaución. Adoptar patrones de producción, consumo y reproducción que salvaguarden las capacidades regenerativas de la Tierra, los derechos humanos y el bienestar comunitario. Impulsar el estudio de la sostenibilidad ecológica y promover el intercambio abierto y la extensa aplicación del conocimiento adquirido. Desconocer la naturaleza es la causa de la desgracia humana. Epicuro

Para que respeten la Tierra, cuéntales que la Tierra contiene las almas de nuestros antepasados. Enseñad a vuestros hijos lo que nosotros enseñamos a los nuestros: que la Tierra es nuestra madre. Lo que acontece a la Tierra, les acontece también a los hijos de la Tierra. Cuando los hombres escupen a la Tierra, están escupiendo a si mismos. Pues nosotros sabemos que la Tierra no pertenece a los hombres, que los hombres pertenecen a la Tierra....." (Fragmento: Mensaje del Gran Jefe Seattle al Presidente de los EEUU. 1855).

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Secuencia didáctica 2. Prevención y reducción de la contaminación. Inicio Actividad: 1 Respondan los siguientes cuestionamientos. ¿Qué productos se obtienen de las siguientes ecuaciones? Una vez que completen las ecuaciones, expliquen como estas sustancias (tanto reactivos como productos) participan en la contaminación. a. b. c. d.

CO2 + H2O SO2 + H2O SO3 + H2O 2 NO2 + H2O

¿Qué tipo de contaminación consideras más dañina?

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ACTÚA PARA DISMINUIR LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE, DEL AGUA YDEL SUELO

Actividad: 1 Conceptual Identifica reacciones químicas involucradas en la contaminación. Coevaluación

Evaluación Producto: Cuestionario. Puntaje: Saberes Procedimental Actitudinal Completa reacciones. Realiza las labores en forma Establece diferencias entre los ordenada. distintos tipos de contaminación. Razona y aporta ideas. C MC NC Calificación otorgada por el docente

Desarrollo Agresión química a la biósfera. Las características químicas de la biósfera, y especialmente de los organismos biológicos, se han ido adaptando por evolución durante un largo periodo geológico. Las concentraciones de elementos en la biósfera están generalmente relacionadas con su abundancia en la corteza terrestre. El hombre, elemento integrante de la biósfera, no se adapta biológicamente a su ambiente como otros organismos, sino mediante cambios tecnológicos y culturales. La influencia del hombre en la biósfera ha sido muy amplia y compleja, y con frecuencia ha conducido a cambios irreversibles. Mientras las modificaciones geológicas y biológicas de la superficie terrestre han sido muy lentas, los cambios introducidos y/o estimulados por el hombre se han acumulado con extremada rapidez en años recientes. Todos los cambios introducidos por el hombre perturban el equilibrio natural de cada ecosistema formado a lo largo del tiempo mediante el cambio evolutivo. Estos cambios han conducido muy a menudo a una degradación del ambiente natural. El fomento de actividades agropecuarias, por ejemplo, ha convertido varios ecosistemas en agro ecosistemas artificiales. Aunque la influencia del hombre sobre la biosfera data del período neolítico, el problema del deterioro de los ecosistemas por la contaminación ha aumentado a un ritmo alarmante durante los dos últimos decenios. La contaminación ambiental, especialmente la debida a productos químicos, es uno de los factores más potentes de destrucción de los componentes de la biósfera. De todos los contaminantes químicos, se considera que el dióxido de azufre (SO 2), los complejos oxidantes (O3, NO2 y PAN, peroxiacetilnitratos), los hidrocarburos y los oligoelementos (hierro, cobre, yodo, manganeso, selenio, zinc, cromo, cobalto, flúor, litio, níquel y silicio) son los más importantes del punto de vista ecológico, biológico y sanitario. Además, todo compuesto químico producido como residuo industrial o urbano puede crear perturbaciones ambientales en la biósfera.

Físicamente, la biósfera se define como una delgada capa de aire, agua y suelo en la que habitan todos los seres vivos. Abarca desde aproximadamente 10 Km. de la atmósfera, hasta el suelo del océano más profundo. Representa el nivel máximo de organización de los seres vivos y los espacios que éstos habitan. La biósfera se divide en unidades más pequeñas denominadas ecosistemas. Un ecosistema es un conjunto estable de elementos vivos e inertes que se relacionan mutuamente. La biósfera se puede considerar como un ecosistema global.

La industrialización y las emigraciones de zonas rurales a centros urbanos han dado lugar a concentraciones anormales de contaminantes químicos, al haberse centralizado mucho las necesidades energéticas. Sin embargo, las concentraciones de contaminantes químicos no suelen permanecer localizadas, sino que con frecuencia se difunden mucho e incluso atraviesan fronteras nacionales o continentales. El consumo energético y de materiales por parte del hombre es la causa principal de la contaminación química de la biósfera. Una estimación de la descarga total de elementos químicos contaminantes al ambiente, puede basarse en el consumo y la demanda de energía y materiales en el mundo que, como se sabe, han aumentado rápidamente en los últimos años. Todavía no hay nociones claras sobre el transporte, tiempo de permanencia, destino y efectos a largo

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plazo de los contaminantes en cada ecosistema específico, pero el número y el alcance de las investigaciones sobre las propiedades y las interacciones ambientales de los productos químicos han aumentado a un ritmo sostenido en los dos últimos decenios. En esta etapa en que aumenta la comprensión de la agresión química a la biósfera, las características generales de los contaminantes químicos pueden resumirse como sigue:       

Amplia dispersión y transporte por el aire a larga distancia. Fijación rápida en fracciones minerales y orgánicas del agua. Larga permanencia de la mayoría de los contaminantes en la superficie del suelo. Deposición en la superficie de las plantas, con la consiguiente reducción de su capacidad de absorción de luz solar. Acumulación biológica que muy a menudo altera la composición química de las plantas sin causar daños visibles. Perturbación de los procesos metabólicos de los tejidos vivos. Resistencia a la detoxificación metabólica (liberación de toxinas del metabolismo), y consiguiente entrada en la cadena alimentaria; reacción con los componentes del suelo, lo que provoca cambios en el pH y degradación.

Problemas ambientales globales. Son aquellos cuyos efectos no se limitan a un país o región, sino que se manifiestan extensa e intensamente por todo el Planeta. La posible solución a estos problemas solo podrá llegar a través de la cooperación internacional. • Destrucción de la capa de ozono • Calentamiento global • Lluvia ácida • Destrucción de los bosques y selvas tropicales • Desertificación • Extinción de especies • Disposición final de los desechos tóxicos • Contaminación de los océanos • Contaminación atmosférica (smog, partículas…)

En los últimos años, los problemas de contaminación han adquirido tal magnitud y diversidad que la sociedad ha ido tomando cada vez mayor conciencia de los riesgos actuales, y más aún de los potenciales. Como resultado de la presión social generada, los encargados de tomar decisiones muestran una creciente voluntad política para resolver los problemas. Ahora es necesario que profesionales sólidamente formados y provenientes de diversos campos (por lo interdisciplinario de los problemas de contaminación) les ofrezcan soluciones realistas y susceptibles de ser implantadas. Se requiere para esto un buen conocimiento técnico, tanto del problema como de las opciones de solución. Varias instituciones de educación superior mexicanas han respondido a esto incluyendo cátedras sobre el control de la contaminación; algunas inclusive han creado nuevas licenciaturas y maestrías sobre ingeniería ambiental y diplomados o cursos cortos para no especialistas. Esta formación hace falta para contribuir a conciliar el desarrollo acelerado con la conservación de los recursos naturales.

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ACTÚA PARA DISMINUIR LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE, DEL AGUA YDEL SUELO

Por supuesto que el no tener conocimiento a nivel profesional, sobre el tema ambiental, no es pretexto para comprender que cada persona hace en sus actividades cotidianas lo suficiente para agravar el problema o bien contribuir al cuidado del ambiente en que habita, todo depende de la responsabilidad y compromiso con que se conduzca.

Prevención de la contaminación. Uno de los esfuerzos más importantes que contribuye de manera efectiva a mejorar el estado del medio ambiente y de los recursos naturales es, sin lugar a dudas, la prevención de la contaminación ambiental provocada por la acción humana, misma que afecta la integridad física, biológica, química y radiológica del medio ambiente, considerando que la contaminación ambiental es causada por la presencia de materia o energía, cuya naturaleza, ubicación o cantidad produce efectos ambientales indeseables. Por eso en el concepto de prevención, se debe incluir dos tipos de acercamientos fundamentales: la prevención ambiental primaria, orientada a evitar la contaminación y como consecuencia, a preservar el medio ambiente y los recursos naturales libres de agentes contaminantes, y la prevención ambiental secundaria, enfocada a reducir la contaminación que tenga efectos adversos sobre los ecosistemas. En los programas de prevención se encuentran involucradas diversas estrategias de acción para evitar, reducir y/o eliminar la contaminación desde su generación o fuente. A su vez, la reducción de la contaminación incluye la reducción del volumen, toxicidad y/o de ambas. La química verde consiste en el desarrollo de las metodologías para modificar la naturaleza de los productos o procesos para reducir los riesgos que estos representan para la salud y el ambiente. En México se han hecho esfuerzos para el desarrollo de nuevas sustancias, productos y procesos amigables con el ambiente. Sin embargo, hace falta una mayor coordinación y apoyo entre los diversos actores involucrados. El manejo ambientalmente adecuado de las sustancias químicas peligrosas debe estar basado en cuatro premisas básicas (Cortinas 2000): •

La determinación de su peligrosidad y de la relación entre la exposición y sus efectos.

•

La evaluación o caracterización de la magnitud de sus riesgos ambientales y sanitarios, tanto derivados de su liberación súbita como continua o intermitente.

•

La administración o manejo de los riesgos para prevenirlos o reducirlos.

•

La comunicación de los riesgos.

Peligro de los contaminantes. El grado de peligro de los contaminantes químicos se puede considerar según los siguientes factores: Explosividad: Capacidad de una sustancia para expandir sus moléculas en forma brusca y destructiva. Inflamabilidad: Capacidad de una sustancia para producir combustión de sí misma, con desprendimiento de calor. Toxicidad: La capacidad de una sustancia para producir daños a la salud de las personas que están en contacto con ella. Corrosividad: Sustancias con propiedades ácidas o alcalinas. Reactividad: Capacidad de una sustancia para combinarse con otras y producir un compuesto de alto riesgo.

La educación ambiental es el sustento de la prevención, una educación que genere en la población, conciencia y responsabilidad ambiental, así como una educación que promueva la participación activa de los sectores público, privado y social en la conservación y preservación del medio ambiente. Sin la participación responsable de la sociedad en su conjunto, las acciones orientadas a evitar y/o reducir la contaminación ambiental, no tendrán el impacto que se desea, como mantener un medio ambiente que asegure la vida y la sustentabilidad de nuestro planeta.

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La prevención implica además de la educación, conciencia y responsabilidad ambiental de la población, de un conjunto de normas, leyes y políticas orientadas a mantener las condiciones que propicien la preservación del medio ambiente. Además, para que tenga el resultado esperado, dicho marco debe estar sustentado en el establecimiento y ejecución de programas eficaces de prevención. Por lo anterior, es importante mencionar que la normatividad ambiental mexicana, ha tratado de incorporar en forma creciente, esquemas que favorezcan la incorporación de programas de prevención en las actividades sociales y económicas en el país. Uno de los aspectos básicos apoyados por los cambios recientes a las leyes y reglamentos que rigen la normatividad ambiental del país, es que la responsabilidad ambiental de la entidad generadora se ha extendido hasta cubrir todo el ciclo de vida de los productos y/o las actividades. Los programas de prevención tradicionalmente se han asociado con el sector industrial. Sin embargo, la prevención de la contaminación ambiental no es, ni podrá ser exclusiva de este sector. La prevención a la contaminación ambiental, como se mencionó anteriormente, es responsabilidad de toda la sociedad en su conjunto. La sociedad debe tomar conciencia del daño que ha causado al medio ambiente en donde vive, crece y se desarrolla, y conocer los efectos negativos que se producen por el uso irresponsable de los recursos naturales y la contaminación. Una sociedad con conciencia ambiental, debe aprender a emplear de manera responsable y más eficiente, los recursos naturales, participar activamente para evitar o minimizar al máximo posible, los residuos y la contaminación que se pueda llegar a producir como consecuencia de sus actividades y desarrollar la capacidad para la reutilización y reciclaje de los subproductos y desechos. De tal suerte, sociedad y gobierno___, tienen como deber, asegurar que la actividad humana provoque un efecto mínimo sobre los ecosistemas, con el fin de preservarlos para las generaciones futuras. En materia de prevención de la contaminación ambiental, existen acciones muy concretas que promueven tanto programas de prevención, como de atención a contingencias ambientales y aplicación de la ley, en donde se pueden ver acciones en dos grandes rubros, auditorías ambientales voluntarias y actividades de inspección y vigilancia. LA QUÍMICA VERDE EN MÉXICO Mario Yarto Ramírez, Arturo Gavilán García y Miguel Ángel Martínez Cordero

¿Qué es la Semarnat? Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales Dependencia de gobierno que tiene como propósito fundamental "fomentar la protección, restauración y conservación de los ecosistema y recursos naturales, y bienes y servicios ambientales, con el fin de propiciar su aprovechamiento y desarrollo sustentable"

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ACTÚA PARA DISMINUIR LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE, DEL AGUA YDEL SUELO

Actividad: 2 Con base en la lectura del tema “Prevención y reducción de la contaminación”, responde el siguiente cuestionario. Puedes consultar otras fuentes de información. 1.

¿Qué diferencia se presenta entre la adaptación del humano con respecto a otros seres vivos?

__________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ 2. ¿Cuáles son las principales causas (origen) de la contaminación química? __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ 3.

De las características de los contaminantes químicos mencionadas en el texto, investiga que son: la acumulación biológica y la resistencia a la detoxificación biológica. __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ 4.

¿Qué problemas ambientales con contaminantes químicos se han presentado en tu localidad, Estado o País? __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________

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Actividad: 2 (continuación) 5. Explica en qué consiste la prevención de la contaminación de tipo primaria y secundaria. __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ 6. ¿Existen en tu localidad o en el Estado universidades que ofrezcan opciones de estudio encaminadas al cuidado ambiente? Anota la escuela y el nombre de la carrera. _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ _____ 7. ¿Investiga que es la huella ecológica? __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________

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ACTÚA PARA DISMINUIR LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE, DEL AGUA YDEL SUELO

Actividad: 2 Conceptual Analiza las formas de prevenir la producción de contaminantes. Coevaluación

Evaluación Producto: Cuestionario. Saberes Procedimental

Puntaje:

Determina las características de los contaminantes químicos. C

MC

NC

Actitudinal Muestra responsabilidad para contribuir al cuidado del ambiente.

Calificación otorgada por el docente

A veces damos consejos, pero no enseñamos…con nuestra conducta. Proverbio turco

Dos noticias para revisar: Acerca del día mundial del medio ambiente (DMMA) El Día Mundial del Medio ambiente (DMMA) fue establecido por la Asamblea General De la ONU en 1972 para marcar la apertura de la Conferencia de Estocolmo sobre El Medioambiente Humano. Se conmemora cada año en Junio 5: (DMMA) es uno de los vehículos principales a través del cual Naciones Unidas estimula el conocimiento mundial del medioambiente y aumenta la atención y acción política. La agenda del día es para: 1. Dar una cara humana a los problemas medioambientales; 2. Autorizar a las personas para hacerse agentes activos del desarrollo sostenible y equitativo; 3. Promover una comprensión que las comunidades son cruciales para cambiar actitudes hacia los problemas medioambientales. 4. Impulsar sociedades que asegurarán a todas las naciones y sus habitantes disfrutar un futuro más seguro y más próspero. El lema para DMMA 2009 es "Su Planeta lo Necesita a Usted-Unido para Combatir el Cambio Climático". Refleja la urgencia para que las naciones concierten un nuevo tratado en la convención crucial del clima que se reúne en Copenhague en unos 180 días más tarde en el año, y los enlaces con superar la pobreza y mejorar la dirección de bosques. El anfitrión de este año es México que refleja el papel creciente del país Latinoamericano en la lucha contra el cambio climático e incluye su participación aumentada en los mercados del carbono. México también es un socio líder en la Campaña Billón de Árboles del Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA) UNEP. El país con el apoyo de su Presidente y sus habitantes, ha liderado las donaciones y plantaciones de un 25 por ciento de los árboles bajo esta campaña. Considerando cerca del 1.5 por ciento de emisiones de gas de efecto invernadero, el país está demostrando su compromiso con el cambio climático en varios frentes. El Presidente mexicano Felipe Calderón indica que la celebración de (DMMA) "resaltará mas la determinación de México para administrar recursos naturales y tratar con el desafío más exigente del siglo 21 - El cambio climático"

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83

Lugar

Primero

Segundo

Tercero

Cuarto

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Ganadores del “concurso campeones ambientales 2009”. No. de Nombre del Premio participantes y proyecto escuela.

$100,000.00

$75,000.00

$50,000.00

$25,000.00

Uso sustentable de la energía calorífica el sol para cocinar.

Colegio de Estudios Científicos y Tecnológicos del Edo. de Campeche.(10)

Puerta de papel reciclado para evitar la tala inmoderada y fomentar la reforestación.

Cecytec Plantel Pomuch Hecelchakan, (14).

Por la libertad de expresar ¡Yo sí amo a mi mundo!.

Cecytes, (Colegio de Estudios Científicos y Tecnológicos del Edo de Sonora) Plantel Esperanza(11)

“Salvemos a nuestro planeta del cambio climático”

Colegio de Bachilleres del Estado de Sonora Plantel Prof. Ernesto López Riesgo(17).

Ciudad-Estado

Campeche, CAMPECHE

Campeche

Cócorit-Sonora.

HermosilloSonora

ACTÚA PARA DISMINUIR LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE, DEL AGUA YDEL SUELO

Cierre Actividad: 3 En equipo, investiguen un problema ambiental (señalado por el profesor) y elaboren material de difusión (carteles, dípticos, presentación digital, videos, etc.). El material debe incluir la descripción del problema, el origen, sus consecuencias en el ambiente, donde se presenta, prevención y reducción del problema. Compartir los resultados con el resto del grupo. Los materiales más interesantes se expondrán en tu plantel.

Actividad: 3 Conceptual Analiza las formas de prevenir la producción de contaminantes. Coevaluación

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Evaluación Producto: Cuestionario. Saberes Procedimental

Puntaje:

Determina las características de los contaminantes químicos. C

MC

NC

Actitudinal Muestra responsabilidad para contribuir al cuidado del ambiente.

Calificación otorgada por el docente

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Sitios Web recomendados: www.conabio.gob.mx www.semarnat.gob.mx www.unep.org www.ine.gob.mx www.cna.gob.mx/

Fuentes de información recomendadas: Propuesta para limpiar el aire en México en 10 años. Reporte del taller sobre contaminación del aire en México, Ciudad de México. 13 de Abril 2004. Coordinador: Dr. Mario Molina. ¿Y el medio ambiente? Problemas en México y el mundo. Semarnat.

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ACTÚA PARA DISMINUIR LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE, DEL AGUA YDEL SUELO

Comprende la utilidad de los sistemas dispersos.

Unidad de competencia: Identifica las características distintivas de los sistemas dispersos (disoluciones, coloides suspensiones), calcula la concentración de las disoluciones y comprende la utilidad de los sistemas dispersos.

Atributos a desarrollar en el bloque:

3.2 Toma decisiones a partir de la valoración de las consecuencias de distintos hábitos de consumo y conductas de riesgo. 4.1 Expresa ideas y conceptos mediante representaciones lingüísticas, Matemáticas o gráficas. 5.1 Sigue instrucciones y procedimientos de manera reflexiva, comprendiendo cómo cada uno de sus pasos contribuye al alcance de un objetivo. 5.2 Ordena información de acuerdo a categorías, jerarquías y relaciones. 5.3 Identifica los sistemas y reglas o principios medulares que subyacen a una serie de fenómenos. 5.4 Construye hipótesis y diseña y aplica modelos para probar su validez. 5.6 Utiliza las tecnologías de la información y comunicación para procesar e interpretar información. 6.1 Elige las fuentes de información más relevantes para un propósito específico y discrimina entre ellas de acuerdo a su relevancia y confiabilidad. 6.3 Reconoce los propios prejuicios, modifica sus propios puntos de vista al conocer nuevas evidencias, e integra nuevos conocimientos y perspectivas al acervo con el que cuenta. 7.1 Define metas y da seguimiento a sus procesos de construcción de conocimientos. 8.1 Propone manera de solucionar un problema y desarrolla un proyecto en equipo, definiendo un curso de acción con pasos específicos. 8.2 Aporta puntos de vista con apertura y considera los de otras personas de manera reflexiva. 8.3 Asume una actitud constructiva, congruente con los conocimientos y habilidades con los que cuenta dentro de distintos equipos de trabajo.

Tiempo asignado: 17 horas

Secuencia didáctica 1. Mezclas homogéneas y heterogéneas. Inicio Actividad: 1 Elabora un mapa conceptual en el que relaciones los siguientes términos: Átomos Compuestos Elementos Heterogéneas

Homogéneas Materia Mezclas Sustancias puras



Evaluación Actividad:

Producto:

Conceptual Autoevaluación

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Puntaje: Saberes Procedimental

C

MC

NC

Actitudinal Calificación otorgada por el docente

COMPRENDE LA UTILIDAD DE LOS SISTEMAS DISPERSOS

Actividad: 1 Conceptual Caracteriza: elemento, compuesto, mezclas homogéneas y mezclas heterogéneas. Autoevaluación

Evaluación Producto: Mapa conceptual. Saberes Procedimental Analiza las propiedades de los elementos, compuestos y mezclas para diferenciarlos. C

MC

NC

Puntaje: Actitudinal Se expresa con exactitud.

Calificación otorgada por el docente



Actividad: 2

    Compuesto                            

Clasifica los siguientes materiales en elemento, compuesto o mezcla y señala la casilla correspondiente. Menciona otros ejemplos para completar la tabla. Compara tus respuestas con las de tus compañeros.

Ejemplo (material) Pozole Oxígeno Aspirina Sopa de verduras Moneda de cinco pesos Detergente Jarabe Choco milk Perfume Malteada Dióxido de carbono Agua de mar Barra de chocolate Helio Moneda de cincuenta centavos

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Elemento

Mezcla homogénea

Mezcla heterogénea

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 Evaluación Actividad: 2

Producto:

Conceptual Distingue entre elemento, compuesto, mezcla homogénea y mezcla heterogénea.

Puntaje:

Saberes Procedimental Utiliza materiales cotidianos para ejemplificar conceptos. C

Autoevaluación

MC

NC

Actitudinal Está atento a las formas en que se presenta la materia en su vida diaria.

Calificación otorgada por el docente

 Desarrollo Elemento, compuesto y mezcla. La materia se define como todo lo que tiene masa y ocupa un espacio. En el curso de Química 1 se mencionó que el mundo natural que nos rodea está constituido por materia. Se señaló que todo aquello que impactaba a nuestros sentidos era materia. Toda la materia se puede clasificar en sustancias puras y mezclas, como se muestra en la figura.

Materia

Sustancias puras

Elementos

Mezclas

Compuestos

Elementos átomicos Na, K, Mg, C..

Compuestos moleculares CO2, H2O, CH4..

Elementos moleculares H2,O3, Cl2..

Compuestos iónicos NaCl,CaO,KI..

Homogéneas

Soluciones Agua de mar, aleaciones...

Heterogéneas

Agregados Grava, mármol...

Suspensiones Agua turbia, medicamentos agitables,...

Coloides Humo, gelatina,crema...

Las sustancias puras se pueden clasificar en elementos y compuestos. Los elementos son sustancias que contienen una sola especie de átomos. Entre ellos hay varias sustancias con las que se tiene familiaridad: el oxígeno de la atmósfera, el aluminio en el papel aluminio, el hierro en los clavos, el cobre en los alambres conductores eléctricos, y el mercurio en los termómetros. Los elementos son los componentes de todas las demás sustancias.

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COMPRENDE LA UTILIDAD DE LOS SISTEMAS DISPERSOS

Los compuestos o sustancias como el agua o la sal de mesa contienen más de un elemento, combinado químicamente en proporciones fijas. Por ejemplo, el agua (H2O) siempre contiene 88.8 % en peso de oxígeno y 11.2% de hidrógeno. Las sustancias puras también tienen propiedades químicas y físicas constantes. Cuando es pura, la sal de mesa tiene la misma composición de la sal extraída de minas muy profundas o la que se obtiene evaporando agua de mar. Las mezclas, como por ejemplo una malteada, tienen distinta composición de una muestra a otra, y en consecuencia sus propiedades son variables. Si se compara una malteada preparada en casa con las que se prueban en una nevería o restaurante se encontrará que no son iguales. Varían en su aspecto, aroma y sabor, debido a diferencias en su composición. Es común encontrar mezclas en la naturaleza; basta observar el entorno y percatarse que se vive en un mundo de mezclas. Pero ¿Cómo se forman las mezclas? Cuando dos o más sustancias se combinan y cada una de ellas conserva sus características físicas y químicas esenciales se forma una mezcla. Una mezcla no modifica las propiedades originales de sus componentes. Las mezclas se caracterizan por presentar diversas composiciones, es decir, las sustancias que las constituyen pueden encontrarse en distintas cantidades. Otra característica de las mezclas es la facilidad para separar sus componentes originales. Por eso se dice que las mezclas se separan por métodos físicos, en los que suelen implicarse algunos tipos de energía. La composición de las mezclas varía ampliamente debido a que cada componente retiene sus propiedades. Sin embargo, gracias a ello se pueden separar los componentes originales de la mezcla. Existen dos tipos de mezclas. Una, en la que se pueden distinguir con facilidad los rasgos de las sustancias que forman la combinación, lo que implica que la apariencia de la mezcla no es uniforme. En este caso se ha formado una mezcla heterogénea. La distribución de sus partículas no es uniforme, y por lo tanto la composición en todos sus puntos no es la misma, por ejemplo el granito o una ensalada de frutas. Se pueden presentar en estado sólido, líquido o gaseoso. Por el contrario, cuando se mezclan sustancias de modo que la apariencia final de la combinación de sustancias no permite distinguir fácilmente algunas propiedades originales (aunque siguen existiendo) o bien las sustancias que las forman, entonces la combinación es una mezcla homogénea. Sus partículas están colocadas de manera uniforme y su composición se mantiene constante en cualquiera de sus partes. Por ejemplo, el azúcar en agua, el aire y latón. Al igual que las mezclas heterogéneas las mezclas homogéneas se pueden presentar en estado sólido, líquido o gaseoso. Sin embargo, la mayoría de las mezclas homogéneas son líquidas y se conocen como soluciones. En Química se denomina sistema a una porción del Universo que se aísla para su estudio, sistemas que pueden ser homogéneos y heterogéneos. Un sistema homogéneo es aquél que posee idénticas propiedades físicas en toda su extensión debido a que sus constituyentes, por su composición y estructura interna, se encuentran uniformemente mezclados entre sí. Por lo tanto, no se distinguen superficies de separación o fases entre sus constituyentes; por ejemplo el aire, el alcohol mezclado con agua o una porción de sal disuelta en agua. Un sistema heterogéneo es aquél que no es uniforme por completo, ya que presenta porciones con ciertas propiedades físicas distintas, porciones limitadas por fases o interfases que difieren por su composición y estructura interna; por ejemplo: lodo, conjunto agua-aceite, nube de polvo, mezcla de hierro, arena, agua y hielo. Una porción físicamente distinta de materia que es uniforme en su composición y propiedades se llama fase.  

Los materiales homogéneos consisten en una sola fase. Los materiales heterogéneos consisten en más de una fase.

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Nota. Debe observarse que en determinados casos no es fácil descubrir la naturaleza homogénea o heterogénea de un sistema o de un cuerpo. Para que un sistema sea calificado como heterogéneo no es necesario que sus constituyentes tengan distinta composición química. Así, un sistema de agua líquida y pedazos de hielo se considera heterogéneo, a pesar de que el agua y el hielo tienen la misma composición química. En ciertos casos, para observar la verdadera naturaleza homogénea o heterogénea se necesita recurrir a medios auxiliares de observación, como las lupas y el microscopio; por ejemplo, en el examen de las finísimas partículas de arcilla en el agua turbia o la leche.

Métodos de separación de mezclas. La separación de mezclas es una tarea fundamental de laboratorio y también del campo industrial, ya que en nuestro planeta la mayoría de los materiales se encuentran mezclados y hay que purificarlos. La finalidad de la separación es obtener sustancias puras a partir de mezclas, con un grado de pureza que permita aplicarse en la fabricación de medicinas, alimentos y otros productos químicos de importancia para el ser humano. Algunas veces obtener una sustancia pura implica una serie de purificaciones continuas hasta separar los componentes de la mezcla en sus propiedades específicas. Dado que en una mezcla se conservan las propiedades originales de las sustancias que la forman, es posible recuperarlas por distintos métodos, utilizando diferentes técnicas, las cuales se basan en las propiedades físicas de las sustancias como por ejemplo, el punto de ebullición, el punto de fusión y la densidad, entre otras. Dichos métodos también dependen del tipo de mezcla (homogénea o heterogénea), así como del estado de agregación en que se presentan. A partir de esas propiedades, pueden plantearse métodos físicos de separación como los que se indican en la siguiente tabla. Método Centrifugación Cristalización Cromatografía Decantación Destilación Evaporación Extracción Filtración Imantación Sedimentación Sublimación Tamizado

Propiedad Fuerza centrífuga sobre las partículas más densas Diferencia de solubilidad en disolventes fríos y calientes Diferencia de difusión de una sustancia a través de otra fija Diferencia de densidad, se utiliza cuando la diferencia es muy evidente Diferencia en el punto de ebullición Diferencia en el punto de evaporación de los componentes de la mezcla Diferencia en la solubilidad en dos disolvente inmiscibles Tamaño de la partícula y baja solubilidad Propiedades magnéticas de los componentes Diferencia de densidades Diferencia en el punto de sublimación Tamaño de las partículas en relación con el diámetro de los orificios de la malla

En el caso de mezclas heterogéneas, algunos de los métodos de separación son los siguientes: sedimentación, decantación, filtración, sublimación, centrifugación, magnetización o imantación. Las mezclas homogéneas se pueden separar por los siguientes métodos: cristalización, evaporación, destilación y cromatografía.

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COMPRENDE LA UTILIDAD DE LOS SISTEMAS DISPERSOS

Las siguientes figuras ilustran algunos métodos de separación de mezclas:

Destilación Filtración

Decantación

Imantación Tamizado

Cromatografía

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La mayoría de los materiales naturales se encuentran mezclados y hay que purificarlos para su aprovechamiento; así que la separación de mezclas se vuelve una tarea fundamental para los químicos y se aplica en diversos procesos de laboratorio o industriales. En la siguiente tabla se muestran algunas de sus aplicaciones.

Método de separación Centrifugación Cristalización Cromatografía Decantación Destilación

Evaporación Filtración Sublimación

Aplicación industrial Fabricación de azúcar. Separación de polímeros. Separación de sustancias sólidas de la leche. Separación del plasma de la sangre. En análisis químicos y de laboratorio (sangre, orina). Separación de la miel de la cera del panal. Producción de azúcar, sal y antibióticos. Separación de pigmentos y de proteínas. Obtención de colorantes para cosméticos. Separación del petróleo mezclado en agua de mar. Tratamiento de aguas residuales. Separación de metales. Obtención de licores y de alcohol etílico de 96° Extracción de aceites. Obtención de productos derivados del petróleo. Concentración de jugos de frutas. Obtención de la sal de mar y de otras sales. Fabricación de leches concentradas. Deshidratación de frutas. Purificación o clarificación de la cerveza y del agua. Fabricación de filtros de aire. Purificación de ácido benzoico, purificación de azufre. Separación de compuestos orgánicos. Fabricación de hielo seco. Liofilización.

Imágenes de planta de desalinización de agua de mar y obtención de sal a partir de agua de mar.

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COMPRENDE LA UTILIDAD DE LOS SISTEMAS DISPERSOS

Actividad: 3 En equipo con base en la explicación de su maestro y la lectura del tema “Elemento, compuesto y mezcla”, completen las siguientes tablas. Pueden consultar otras fuentes de información. Comparen sus respuestas con los otros equipos. Mezcla

Tipo

Usos

Refresco (Coca Cola®)

Mezcla Homogénea

Bebida gaseosa, aperitivo.

Completen los espacios vacíos de la siguiente tabla, analicen el ejemplo completo y utilícenlo como guía. Tipo de mezcla (componentes)

Método de separación (propiedades físicas)

Ejemplo (s) Fierro y azufre, virutas de aluminio y papel

Sólido con sólido

Sublimación

Yodo y arena Sal y arena

Filtración Petróleo , vinagre y agua Sólido soluble en líquido Licuefacción y posteriormente destilación fraccionada Solubilidad en un líquido Difusión

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Actividad: 3 (continuación) Considerando los componentes de cada mezcla y sus características individuales, identifiquen el tipo de mezcla y el método apropiado para su separación. Si tienen dudas o no conocen las características de las sustancias pueden preguntar a su profesor.

Mezcla

Tipo (homogénea o heterogénea)

Método de separación

Carbón vegetal y agua Colorantes para alimentos y agua Limadura de hierro y talco Componentes sólidos que contiene la sangre Aceite comestible y agua Granos de frijol y arroz Carbonato de calcio y harina Aceite para autos y agua Mezcla de arena y grava Sal de mesa y agua

Actividad: 3 Conceptual Caracteriza mezclas homogéneas y heterogéneas e identifica los métodos de separación de sus componentes. Coevaluación

Evaluación Producto: Tablas Saberes Procedimental Ejemplifica los tipos de mezclas usando materiales de su entorno y elige un método de separación. C

MC

NC

Puntaje: Actitudinal Colabora en el trabajo grupal, haciendo aportaciones relacionadas con las características de las mezclas.

Calificación otorgada por el docente

  96

COMPRENDE LA UTILIDAD DE LOS SISTEMAS DISPERSOS

Cierre Actividad: 4 En equipo, realicen los siguientes experimentos y resuelvan lo que se indica en cada caso. "ENTRE MEZCLAS" MATERIAL: 1 tubo de ensaye mediano 1 colorante vegetal (Kool Aid®) Agua Aceite comestible PROCEDIMIENTO: En un tubo de ensayo agregue la mitad de agua y una gota de colorante vegetal y agite. Después de agitar, agregue aceite comestible en el mismo tubo y observe. La disolución del colorante en el agua es un fenómeno ¿Físico o químico? ¿El agregar aceite al agua constituye un fenómeno físico o químico? La mezcla de colorante y agua es un sistema ¿Homogéneo o heterogéneo? ¿Y la mezcla de agua con el aceite? Respuestas:

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Actividad: 4 (continuación) Realicen en equipo los siguientes experimentos y resuelvan lo que se indica en cada caso. "SEPARANDO COLORES" MATERIAL: 1 plumón de agua de tinta verde 1 plato de vidrio (o vaso grande) 1 gotero 1 papel filtro 20 ml de alcohol de caña comercial PROCEDIMIENTO: Con un plumón de tinta verde, haga un punto grueso en el centro de un papel filtro. Ponga el papel filtro sobre un plato de vidrio y con la ayuda de un gotero deje caer una gota de alcohol sobre el punto verde. Deje que se absorba el alcohol, después deje caer otra gota de alcohol. Agregue así algunas gotas de alcohol sobre el centro del papel filtro, teniendo cuidado de que la gota antecedente haya sido absorbida por el papel. Expliquen lo sucedido. ¿Qué habría sucedido si en vez de plumón verde se utiliza plumón negro o azul?

Actividad: 4 Conceptual Identifica propiedades de las sustancias de una mezcla y las utiliza en su separación.

Coevaluación

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Evaluación Producto: Experimentos Saberes Procedimental Realiza actividades experimentales, considerando las propiedades de las sustancias de una mezcla. C

MC

NC

Puntaje: Actitudinal Es cuidadoso en el desarrollo del trabajo experimental.

Calificación otorgada por el docente

COMPRENDE LA UTILIDAD DE LOS SISTEMAS DISPERSOS

Secuencia didáctica 2. Disolución, suspensión y coloide. Inicio Actividad: 1 Responde cada uno de los siguientes cuestionamientos. Al finalizar comentar las respuestas con el resto del grupo. ¿Qué diferencia existe entre un jugo de naranja concentrado y un jugo de naranja natural?

¿Cómo se puede saber qué bebida contiene mayor cantidad de alcohol?

Menciona 5 ejemplos de sustancias solubles en agua y 5 sustancias insolubles.

Explica la importancia de los procesos de separación de mezclas.

¿Por qué algunos medicamentos (jarabes) en presentación líquida se deben agitar antes de tomarlos y otros no?

Actividad: 1 Conceptual Identifica los fenómenos de solubilidad y concentración en sustancias de uso común. Autoevaluación

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Evaluación Producto: Cuestionario Saberes Procedimental Argumenta sus respuestas y las expresa por escrito. C

MC

NC

Puntaje: Actitudinal Resuelve con seguridad una serie de cuestionamientos.

Calificación otorgada por el docente

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Desarrollo Por lo general los jóvenes se rodean de personas que se parecen a ellos tal vez no físicamente, pero sí en la forma de pensar o en las cosas que les gustan. Los amigos tienen “afinidad” entre sí. Por el contrario, si dos personas son muy diferentes, es común decir que son como “el agua y aceite”. Este refrán se basa en las propiedades químicas de estos líquidos que no se mezclan. La razón es que las moléculas de agua son polares y las del aceite son no polares. Para que dos líquidos se puedan mezclar uniforme y fácilmente, se requiere que sus moléculas tengan una polaridad parecida, esto es, que sean afines entre sí. Cuando dos sustancias no afines hacen contacto, aparece entre ellas una zona de separación, una frontera llamada interfase. En la naturaleza se encuentra un número ilimitado de tipos de mezclas que coexisten en ella y tienen un papel primordial en los distintos sistemas químicos, físicos y biológicos. Como los componentes de las mezclas están formados por partículas (moléculas, átomos o iones) se entiende que entre las partículas se da un dispersión provocándose la mezcla, es por eso que a las mezclas también se les conoce como sistemas de dispersión. Estos sistemas de dispersión se clasifican en tres importantes clases: disoluciones, coloides y suspensiones.

Propiedades de las dispersiones Dos fases Suspensión Coloide Mayor de 2 x 10-5 Entre 10-7 y 10-5 A simple vista, o con Con ultramicroscopio un microscopio Rápida Lenta Muy pequeña Muy grande

Una fase Solución Menor de 10-7 No visible

Ninguna Con papel filtro

Browniana Con membranas semipermeables

Molecular o iónico Con membranas semipermeables

Efectos sobre propiedades coligativas

Ninguno

Ligero

Grande

Efecto Tyndall Color Carga eléctrica Área superficial

Ninguno Muy oscuro Ninguna Muy pequeña

Existe Intermedio Alguna carga Grande

Ninguna Translúcido Molécula no, iones sí Muy grande

Propiedad/Dispersión Tamaño (cm) Visibilidad Sedimentación Posibilidad de absorción Movilidad Filtración

Nula No hay

Disoluciones o soluciones. Gran porcentaje de las reacciones químicas que ocurren constantemente en la naturaleza son reacciones que se realizan en fase acuosa, es decir, entre sustancias que se hallan disueltas en agua. Tal es el caso de los procesos nutricionales de las plantas, las reacciones bioquímicas dentro de los organismos y los procesos de descomposición de la materia orgánica. Para que una sustancia se disuelva en agua, debe ser polar o de carácter iónico; es decir, cuanto más polar sea una sustancia más soluble será en agua. En química existe una regla de solubilidad, que enuncia: “lo semejante disuelve a lo semejante”. Esto quiere decir que sustancias polares disuelven a sustancias polares y disolventes no polares disuelven sustancias no polares. Las disoluciones son las mezclas más abundantes en el ambiente. En general una disolución es una mezcla de por lo menos una sustancia disuelta en otra. Por ejemplo, el agua de mar, el cloro que se utiliza para limpieza y el aire atmosférico. Una disolución es una mezcla homogénea, uniforme y estable, formada por dos o más sustancias.

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COMPRENDE LA UTILIDAD DE LOS SISTEMAS DISPERSOS

Se denomina homogénea porque es uniforme ante la observación visual directa o con microscopio; las partículas de una disolución tienen el tamaño de átomos, de iones o de moléculas. Uniforme porque en todas sus partes tiene una misma composición con las mismas propiedades, además, las partículas se hallan distribuidas de forman ordenada y no al azar. Se denomina estable por mantenerse en su composición inicial. Toda disolución está formada por una fase dispersa llamada soluto, sustancia presente en menor cantidad, que puede ser un gas, un líquido o un sólido, y un medio dispersante denominado disolvente (sustancia presente en mayor cantidad) que también puede se gas, líquido o un sólido. De acuerdo con el estado de agregación de los componentes, las disoluciones pueden ser sólidas, líquidas o gaseosas, y dentro de las características cualitativas de las disoluciones se pueden observar las siguientes: en general, son transparentes, no sedimentan, pueden atravesar cualquier tipo de filtro (excepto las sólidas). Clasificación de las disoluciones. Se pueden distinguir tres tipos de disoluciones, según el estado de agregación o estado físico original del disolvente o componente más abundante. En la siguiente tabla se muestran ejemplos de cada uno de los tipos.

Gas Gas Gas

Gas Líquido Sólido

Tipos de disoluciones Estado de la Ejemplos disolución resultante Gas Aire Líquido Agua gaseosa, refrescos Sólido H2 gaseoso en el paladio, piedra pómez

Líquido

Gas

Gas

Líquido

Líquido

Líquido

Aire húmedo (vapor de agua en aire) Líquidos volátiles. Etanol en agua, anticongelante

Líquido

Sólido

Sólido

Amalgama dental (mercurio en plata)

Sólido

Gas

Gas

Sólido Sólido

Líquido Sólido

Líquido Sólido

Hollín o tizne en el aire (carbón en aire), desodorantes sólidos ambientales Agua de mar (sal en agua) Anillo de oro (cobre en oro), aleaciones (latón, bronce, etc)

Soluto

Solvente

Las disoluciones también se clasifican de acuerdo con su condición eléctrica. Esto se refiere a la capacidad que poseen ciertas disoluciones de permitir la conducción de la energía eléctrica a través de una mezcla homogénea; por ello, se mencionan disoluciones conductoras y no conductoras; de manera específica se les denominará como disoluciones electrolíticas y no electrolíticas, dependiendo si el soluto es una sustancia electrolítica o no electrolítica ya que esta característica se relaciona con este componente. Las sustancias electrolíticas pueden disolverse total o parcialmente en agua. Si se disuelven totalmente, se llaman electrolitos fuertes; si sólo se disuelve una parte, se llaman electrolitos débiles. Los químicos también diferencian las disoluciones por su capacidad para disolver un soluto. Una disolución saturada contiene la máxima cantidad de un soluto que se disuelve en un disolvente en particular, a una temperatura específica. Una disolución no saturada o insaturada, contienen menos cantidad de soluto que la que puede disolver. Un tercer tipo, una disolución sobresaturada, contiene más soluto que el que puede haber en una disolución saturada. Las disoluciones sobresaturadas no son muy estables. Con el tiempo, una parte del soluto se separa de la disolución sobresaturada en forma de cristales. La cristalización es el proceso en el cual un soluto disuelto se separa de la disolución y forma cristales.

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Una visión molecular del proceso de disolución. Las atracciones intermoleculares que mantienen juntas a las moléculas en líquidos y sólidos también tienen un papel importante en la formación de las disoluciones. Cuando una sustancia (el soluto) se disuelve en otra (el disolvente), las partículas del soluto se dispersan en el disolvente. La facilidad con la que una partícula de soluto sustituye a una molécula de disolvente depende de la fuerza relativa de tres tipos de interacciones:   

Interacción disolvente-disolvente. Interacción soluto-soluto. Interacción disolvente-soluto.

A partir de estas interacciones, es posible imaginar que el proceso de disolución se lleva a cabo en tres etapas. La primera etapa es la separación de las moléculas del disolvente y la segunda etapa incluye la separación de las moléculas del soluto. Estas etapas requieren de energía para romper las fuerzas intermoleculares de atracción, como consecuencia, son endotérmicas. En la tercera etapa se mezclan las moléculas del disolvente y del soluto. Este proceso puede ser exotérmico o endotérmico. La solubilidad es una medida de la cantidad de soluto que se disolverá en cierto disolvente a una temperatura específica. La solubilidad depende de la temperatura; de ahí que su valor vaya siempre acompañado del de la temperatura a la que se realiza la mezcla. El dicho “lo semejante disuelve a lo semejante” es de gran ayuda para predecir la solubilidad de una sustancia en determinado disolvente. Esta expresión significa que es probable que dos sustancias cuyas fuerzas intermoleculares son del mismo tipo y magnitud, sean solubles entre sí. Por ejemplo, tanto el tetracloruro de carbón (CCl4) como el benceno (C6H6) son líquidos no polares. Cuando se mezclan estos dos líquidos, rápidamente se disuelven uno en otro porque las fuerzas de atracción entre las moléculas de CCl 4 y de C6H6 son parecidas en magnitud a las fuerzas que se dan entre las moléculas de CCl 4 y entre las moléculas de C6H6. Se dice que dos líquidos son miscibles si son solubles entre sí en todas proporciones. Los alcoholes, como el metanol, etanol y 1,2-etilenglicol son miscibles en agua porque pueden formar enlaces de hidrógeno con las moléculas de agua. Cuando el cloruro de sodio (NaCl) se disuelve en agua, los iones se estabilizan en disolución por hidratación, que implica interacciones ion-dipolo. En general se puede predecir que los compuestos iónicos serán mucho más solubles en disolventes polares, como agua, amoniaco líquido y fluoruro de hidrógeno líquido, que en disolventes no polares, como benceno y tetracloruro de carbono. Debido a que las moléculas de los disolventes no polares carecen de un momento dipolo, no pueden solvatar a los iones Na+ y Cl- . Solvatación es el proceso mediante el cual un ion o una molécula son rodeados por moléculas del disolvente, distribuidas de una forma específica. En otras palabras, al formarse una disolución, las moléculas del disolvente envuelven a las moléculas del soluto e impiden que éstas se unan de nuevo, causando la dispersión. Cuando el disolvente es agua, este proceso se denomina hidratación. Las interacciones intermoleculares que predominan entre los iones y los compuestos no polares son las interacciones ion-dipolo inducido, que son mucho más débiles que las interacciones ion-dipolo. Como consecuencia, los compuestos iónicos son poco solubles o insolubles en disolventes no polares.

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COMPRENDE LA UTILIDAD DE LOS SISTEMAS DISPERSOS

Factores que afectan la solubilidad. Dentro de los factores que alteran o modifican la solubilidad de un soluto en un disolvente, están: 







Tamaño de las partículas del soluto: la solubilidad de un soluto con mayor superficie de contacto aumenta la solubilidad y a menor superficie de contacto con el disolvente, la solubilidad disminuye. A menor tamaño de la partícula mayor solubilidad, ya que se logra mayor área de contacto. Naturaleza química de los componentes de la disolución: la naturaleza de los componentes de la disolución se refiere a las sustancias polares y no polares, cuya afinidad, entre soluto y disolvente, aumentará o disminuirá la solubilidad. Temperatura: la temperatura afecta la velocidad y el grado de solubilidad. Generalmente la solubilidad de solutos sólidos aumenta con la temperatura. Al disminuir la temperatura, la solubilidad sufre un decremento. Cuando el soluto es un gas, al aumentar la temperatura, la solubilidad disminuye, ya que las moléculas del gas escapan de la disolución. Presión: el efecto de la variación de presión es prácticamente nulo en la solubilidad de solutos sólidos y líquidos, pero afecta la solubilidad de los gases. A mayor presión, mayor solubilidad de un gas. Este fenómeno se observa en las bebidas carbonatadas, ya que se embotellan a alta presión, pero cuando se destapa, el gas disuelto se vuelve insoluble y forma burbujas.

Concentración de las disoluciones. Una de las principales características de las disoluciones es la variación en su constitución; es decir; la proporción de sus componentes (soluto y solvente) no es constante. Por ejemplo, se pueden hacer muchas disoluciones diferentes de sal y agua, cada una con diferente concentración, o proporción de soluto y disolvente. Por consiguiente, se puede establecer una relación entre la cantidad de soluto en una determinada cantidad de disolvente o disolución. En términos químicos, este tipo de relación recibe el nombre de concentración. El grado de solubilidad se mide por la cantidad máxima de soluto que se puede disolver en una determinada cantidad de disolvente. La concentración de una disolución es una de sus características principales. Un gran número de propiedades de las disoluciones dependen exclusivamente de la concentración. La concentración de las disoluciones se puede expresar de manera cualitativa cuando se refiere a disoluciones diluidas, insaturadas, concentradas, saturadas o sobresaturadas. Sin embargo, para fines cuantitativos, se debe especificar de manera más detallada la relación ponderal entre el soluto y disolvente o la disolución. Para expresar este tipo de relaciones, existen dos formas: en unidades físicas y en unidades químicas.

Tipos de unidades de concentración. Concentración de las disoluciones en unidades físicas de concentración. Soluciones porcentuales (%). Este tipo indica la concentración en por ciento, y se interpreta como la cantidad de soluto en cien partes de solución o disolución. Porcentaje masa a masa (% p/p) Porcentaje volumen a volumen (%v/v) Porcentaje masa a volumen (%p/v) Partes por millón (ppm)

El porcentaje en masa (también conocido como porcentaje en peso o peso porcentual) es la relación de la masa de un soluto en la masa de la disolución, multiplicado por 100%. Expresa la cantidad de gramos de soluto que existe por cada 100 gramos de disolución.

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Por ejemplo: Disolución azucarada al 5% en m/m. Esto indica que la disolución contiene 5 gramos de azúcar por cada 100 gramos de disolución. Una solución alcohólica al 2% en masa de yodo está compuesta de 2 g de yodo por cada 98 g de alcohol. Una solución acuosa al 10% en masa de sal contiene 10 g de sal por cada 90 g de agua.

Porcentaje en masa

masa del soluto x 100% masa de solución

masa de disolución

masa de soluto

Porcentaje en masa

masa del soluto x 100% masa de soluto masa de disolvente

masa de disolvente

El porcentaje en masa no tiene unidades porque es una relación de dos cantidades semejantes. Cálculos de porcentaje en masa o peso. 1.

Calcule el porcentaje en masa de K2SO4 (sulfato de potasio) en una solución preparada disolviendo 30 g de K2SO4 en 715.0 g de agua.

Primero calculamos la masa de la solución sumando la del soluto y la del solvente: Masa de solución = masa de soluto + masa de solvente Masa de solución= 30 g de K2SO4 + 715 g de H2O Masa de solución = 745 g % en masa= 30 g de K2SO4 745 g de solución

x 100

% en masa= 4.02 %. Lo que significa que en cada 100 gramos de esta solución existen 4.02 gramos de soluto. 2.

¿Cuántos gramos de solución al 12.7% en masa pueden prepararse a partir de 55.0 g de H 2SO4 (ácido sulfúrico)?

12.7% en masa significa que de cada 100 gramos de disolución 12. 7 gramos son de soluto, H2SO4. A partir de estos datos se puede plantear una regla de tres simple: 12.7 gramos de H2SO4 55 gramos de H2SO4

→ 100 gramos de disolución → X gramos de disolución

Entonces: X gramos de disolución= (55 gramos de H2SO4) (100 gramos de disolución) 12.7 gramos de H2SO4 X gramos de disolución= 433.07

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COMPRENDE LA UTILIDAD DE LOS SISTEMAS DISPERSOS

Porcentaje en volumen. Se emplea para expresar concentraciones de líquidos y relaciona el volumen de un soluto en un volumen de 100 mililitros. Una solución acuosa al 15% en volumen de alcohol contiene 15 ml de alcohol por cada 85 ml de agua o bien 15 ml. de alcohol por cada 100 ml. de solución. Una solución acuosa al 25% en volumen de HCI concentrado, contiene 25 ml de HCI acuoso y 75 ml de agua o bien 25 ml. de HCl disueltos por cada 100 ml. de solución. Para calcular el porcentaje en volumen se utiliza la fórmula:

Cálculos de porcentaje en volumen. El cloro comercial es una solución al 3% de hipoclorito de sodio (NaClO). ¿Cuánto hipoclorito hay en 34.8 litros de solución de cloro comercial?

→ 100 ml de solución de cloro X ml de NaClO → 34, 800 ml de solución de cloro (conversión de los 34.8 litros a mililitros) 3 ml de NaClO

X ml de NaClO= (3 ml de NaClO)(34, 800 ml de solución de cloro) 100 ml de solución de cloro Resultado= 1044 mililitros de hipoclorito de sodio se encuentran en 34.8 litros de cloro comercial, o bien, 1.044 litros de hipoclorito existen en 34.8 litros de cloro comercial.

Porcentaje masa a volumen (% m/v). Expresa la cantidad en gramos de soluto que hay por cada 100 mililitros de

solución. Es útil para expresar la concentración de disoluciones formadas por sólidos disueltos en líquidos, además de que las cantidades se pueden medir fácilmente. Las unidades más comunes para esta representación son g/lt., en ocasiones puede expresarse como gr/ml. El vinagre que se utiliza, entre otras cosas, para condimentar las ensaladas es una disolución de ácido acético al 5% m/v, es decir, contiene 5 g de ácido acético por cada 100 mililitros de vinagre.

Porcentaje en masa / volumen

BLOQUE 3

masa del soluto x 100% volumen de disolución

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¿Cuál es la concentración de una solución de saborizante en polvo, si se disolvieron 25 gramos de saborizante en 1500 mililitros de agua?

La concentración entonces de esta solución es 1.6 m/v o 1.6 g/lt Partes por millón (ppm). Cuando los solutos están presentes en concentraciones muy bajas, se expresan en términos del número de miligramos de soluto por kilogramo de solución o del número de miligramos de soluto por litro de solución acuosa. Las densidades de las soluciones acuosas diluidas son de alrededor de 1g/ml, de manera que un kilogramo de solución y un litro son aproximadamente lo mismo. Un miligramo es una millonésima parte de un kilogramo. La expresión de concentración como miligramos de soluto por kilogramo o miligramos de soluto por litro de solución se dice que está dada en partes por millón. Esta medida de concentración expresa las partes de masa de soluto por 1 000 000 de partes de masa de solución. Por ejemplo, una disolución que tiene 8 ppm de iones Cl- significa, que hay 8 ppm de Cl- en un millón de partes de disolución. En el agua para beber se permiten 1ppm de Ba+2, significa entonces que en cada litro de agua existen 2 mg del ion Ba. La fórmula es:

Cálculos de ppm. Una muestra de agua de 600 ml tiene 5 mg de F- ¿Cuántas ppm de ion fluoruro hay en la muestra? ppm= 5mg 0.6 lt

ppm=8.3

El agua de mar contiene 6.7x10-2 gramos de ion bromuro, Br-, por kilogramo de agua. ¿Cuál es la concentración del ion bromuro en partes por millón? Convertir los gramos a miligramos: 0.067 mg y esa es la concentración en ppm ya que es la cantidad de mg en un kilogramo de agua.

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COMPRENDE LA UTILIDAD DE LOS SISTEMAS DISPERSOS

Actividad: 2 Resuelve los siguientes cálculos de concentración de soluciones. En las farmacias se vende una solución al 3.0% en masa de peróxido de hidrogeno, H 2O2, como antiséptico suave. Si un frasco de peróxido contiene 230 gramos de solución ¿Cuántos gramos de H 2O2 hay en el frasco?

Un vino contiene 14% de alcohol etílico. ¿Cuánto alcohol se encuentra contenido en una botella de vino de 750 ml?

Las normas de salud permiten 1 ppm de ion bario (Ba 2+) en el agua para beber. Si una muestra de agua de 2.0 litros contienen 2.00mg de Ba2+ ¿El agua esta dentro de los límites o excede la concentración máxima permitida?

Las soluciones salinas fisiológicas (suero fisiológico) que se usan en las inyecciones intravenosas tienen una concentración de 0.96 gramos de NaCl por cada 100 mililitros de solución. ¿Cuántos gramos de NaCl se necesitan para preparar 2 litros de suero con esa concentración.

Actividad: 2 Conceptual Define concentración en % en masa, % en volumen, masa/volumen y partes por millón. Autoevaluación

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Evaluación Producto: Solución de problemas. Saberes Procedimental Determina la concentración de soluciones. C

MC

NC

Puntaje: Actitudinal Es cuidadoso en la resolución de problemas.

Calificación otorgada por el docente

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Concentración de las disoluciones en unidades químicas. Para expresar la concentración de las soluciones en unidades químicas, se utiliza la molaridad y la normalidad. Molaridad. Es el método más común de expresar la concentración en química, sobre todo cuando se trabaja con reacciones químicas y relaciones estequiométricas. Esta unidad de concentración, se refiere a la cantidad de soluto (en número de moles) disuelto en cada litro de solución. Esta forma de concentración se representa con la letra M, y se expresa en unidades de moles por litro; o bien, se utiliza el término molar. Una solución 1 M, (uno molar), contiene un mol de soluto por cada litro de solución. Las unidades de la molaridad son mol/L. Por ejemplo, “una solución 2M de H2SO4” significa que en un litro de solución existen disueltas dos moles de ácido sulfúrico; o bien, que en un litro de solución existen disueltos 196 gramos de ácido sulfúrico. También se puede expresar como “solución de H2SO4 2 M” o “solución de H2SO4 2 moles/L” o “solución de H2SO4 2 molar.” Se expresa por medio de las siguientes fórmulas.

Molaridad

M

Número de moles de soluto litro de solución

M

g. de soluto ( masa molar )(lt. de solución )

moles lt.

Es conveniente recordar el concepto de mol que se trató en el bloque 1. Mol. Cantidad de sustancia que contiene el mismo número de unidades elementales (átomos, moléculas, iones, etc.) que el número de átomos presentes en 12 g de carbono 12. Cuando se hace referencia a un mol, se habla de un número específico de materia. Por ejemplo, una docena son 12, una centena 100 y un mol equivale a 6.022x1023. Este número se conoce como número de Avogadro. Un mol de azufre, contiene el mismo número de átomos que un mol de plata, el mismo número de átomos que un mol de calcio, y el mismo número de átomos que un mol de cualquier otro elemento. 1 Mol de un elemento = 6.022 x 10 átomos Si se tiene una docena de canicas de vidrio y una docena de pelotas de ping-pong, el número de canicas y pelotas es el mismo, pero ¿pesan lo mismo? NO. Así pasa con las moles de átomos, son el mismo número de átomos, pero la masa depende del elemento y está dada por la masa atómica del mismo. Para cualquier elemento: 1 Mol = 6.022 X 10 átomos = Masa atómica (gramos) Ejemplos:

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Moles

Átomos

1 mol de S 1 mol de Cu 1 mol de N

6.022 x 10 átomos de S 6.022 x 10 átomos de Cu 6.022 x 10 átomos de N

Gramos (Masa atómica) 32 g de S 63 g de Cu 14 g de N

COMPRENDE LA UTILIDAD DE LOS SISTEMAS DISPERSOS

Masa molar de los compuestos. Un mol de un compuesto contiene el número de Avogadro de unidades fórmula (moléculas o iones) del mismo. Los términos peso molecular, masa molecular, peso fórmula y masa fórmula se han usado para referirse a la masa de 1 mol de un compuesto. A partir de la fórmula de un compuesto, se puede determinar la masa molar sumando las masas atómicas de todos los átomos de la fórmula. Si hay más de un átomo de cualquier elemento, su masa debe sumarse tantas veces como aparezca. Ejemplo, para calcular la masa molar de 1 mol de fosfato de cobre II Cu3(PO4)2

Cu3(PO4)2 Cu 3 x 64 = 192.00 P 2 x 31 = 62.00 O 8 x 16 = 128.00 379.69 g/mol es Masa Molar de Cu3(PO4)2 1 Mol = 6.022 X 1023 moléculas = Masa molar (gramos) De aquí se puede deducir la conversión de moles a gramos o gramos a moles. Donde: 1 mol de cualquier sustancia = masa molar en gramos de la sustancia n=masa de la sustancia masa molar n= número de moles Una vez que se recordó la interpretación del concepto mol, lo podemos aplicar al cálculo de la concentración en unidad de molaridad. Por ejemplo, para calcular la concentración en molaridad de 825 ml de una solución que contiene disueltos 13.4 g de CaCO3. Molaridad=No. de moles de soluto por litro de solución M= moles de soluto litro de disolución La cantidad de soluto presente en el problema se conoce en gramos por lo que se debe convertir a moles. CaCO3 Ca= 40 x 1= 40 C= 12 x 1= 12 O= 16 x 3= 48 100g/mol

BLOQUE 3

109

Entonces: n=masa de la sustancia masa molar n=13.4 gramos de CaCO3 100 gramos/mol CaCO3 n=0.134 moles de CaCO3 son equivalentes a 13.4 gramos de la sustancia. Ahora se sustituyen los datos en la fórmula: M=moles de soluto litro de disolución M=0.134 moles de CaCO3 0.825 lt M=0.16 mol/lt, es la concentración de la solución formada por 13.4 gramos de CaCO3 disueltos en 825 ml de disolución. Una solución de vinagre contiene 2.5 g de ácido acético, CH3COOH en 50 ml de solución. ¿Cuál es la molaridad del ácido acético en la solución? g. de soluto M Datos: 2.5 g de ácido acético CH3COOH (soluto) ( masa molar )(lt. de solución ) 50 ml de solución (0.05 lt) Masa molar=C=12 x 2 = 24 H= 1 x 4 = 4 O= 16 x 2 =32 Total = 60 g/mol Sustituyendo en la fórmula: M=

2.5 gramos de CH3COOH

(60 g/mol CH3COOH)(0.05 lt)

M= 0.83 mol/lt Es posible que a partir de la formulas matemáticas anteriores de molaridad, se puedan hacer cálculos de número de moles, cantidad de soluto disuelto en moles o en gramos, así como cálculo de volumen de solución. Fórmulas Número de moles de soluto M Litro de solución

Fórmulas derivadas

Número de moles de soluto Litro de solución

M

g. de soluto ( masa molar )(Lt. de solución )

g. de soluto

Número de moles de soluto M

M ( masa molar )(Lt. de solución )

( Lt. de solución )

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M x Litro de solución

g. de soluto ( masa molar ) M

COMPRENDE LA UTILIDAD DE LOS SISTEMAS DISPERSOS

Normalidad. Se refiere a la cantidad de soluto (en número de equivalentes) disuelto en cada litro de solución. Esta forma de concentración se representa con la letra N, y se expresa en unidades de equivalentes por litro; o bien se utiliza el término normal. Esta unidad concentración es utilizada en los procesos de neutralización y titulación entre las sustancias ácidas y básicas. Su expresión:

Para entender el término de “equivalente”, se reconoce que cada sustancia tiene un efecto de acción sobre otras, sustancias, por ejemplo los ácidos tienen un efecto de neutralizar a las bases y viceversa. En la siguiente ecuación se puede apreciar. HCl 36.5 g

+ NaOH  NaCl + 40 g.  58.5 g

+ H2O + 18 g

Esto quiere decir que 36.5 g de HCl tienen una acción neutralizante sobre 40 g. De NaOH, así que un equivalente de acido neutraliza a un equivalente de base, en este ejemplo un equivalente es igual a una mol. Pero si en lugar de HCl, se utiliza otro ácido para neutralizar al NaOH como por ejemplo en H2SO4 la ecuación será: H2SO4 + 2NaOH  Na2SO4 + 2H2O 98 g. + 80g.  142g. + 36g. Por lo que un equivalente de base NaOH = 40 g será neutralizada por un equivalente de H2SO4 = 49g La unidad química de masa denominada equivalente-gramo o peso equivalente corresponde a la cantidad de materia que de manera proporcional tendrá el mismo efecto de acción en los cambios químicos. Para efectos prácticos, la masa equivalente de una sustancia se determina en primer término dependiendo del tipo de sustancia. En un ácido, la masa equivalente es igual a: Masa molar del ácido dividida entre el número de hidrógenos que tenga en su fórmula química el ácido. Por ejemplo: Eq. de HCl = masa molar de HCl / 1 = 36.5 g. de HCl. Eq. de H2SO4 = masa molar de H2SO4 / 2 = 98 g./ 2 = 49 g de H2SO4. Eq. de H3PO4 = masa molar de H3PO4 / 3 = 98 g./3 = 32.6 g. de H3PO4.

BLOQUE 3

111

Si es una base, su masa equivalente es igual a: Masa molar de la base dividida entre el número de hidróxidos (OH) que tenga en su fórmula química la base. Por ejemplo: Eq. de NaOH = masa molar de NaOH / 1 = 40 g. de NaOH. Eq. de Ca(OH)2 = masa molar de Ca(OH)2 / 2 = 74 g/2 = 37 g. de Ca(OH)2. Eq. de Al(OH)3 = masa molar de Al(OH)3 / 3 = 78 g./3 = 26 g. de Al(OH)3. Si es una sal, para su masa equivalente se toma en cuenta el total de carga positiva proporcionada por el catión y ese será el factor que se utilice para dividir el peso de la fórmula de la sal Por ejemplo: Eq. de NaCl = Peso Fórmula / 1 = 58.5/ 1 = 58.5, ya que el catión Na+1 Eq. de CaCl2 = Peso Fórmula/ 2 = 111/2 = 55.5, ya que el catión Ca+2 Eq. De Fe2S3 = Peso Fórmula/ 6 = 208/6 = 34.6, ya que el catión es Fe+3 pero al ser dos se aportan 6+ Cálculos de normalidad. N= No. eq. de soluto litro de solución

No. eq= gramos de soluto Peq. soluto

Peq.= masa molar x x= Número de H, OH o cargas (+) según sea el caso.

¿Cuál es la concentración Normal de una solución que se preparó con 12.5 g de ácido clorhídrico (HCl) y se mezclo con agua hasta completar 2 litros de solución? Datos: Volumen de la disolución: 2 litros Masa molar del HCl = 36.5g/mol (ácido clorhídrico) Normalidad ¿? Peq.= Masa molar = 36.5 No. H 1 N = 0.17, se dice que es una solución 0.17 Normal. Este cálculo también se puede hacer de la siguiente manera. En la calculadora científica se podrá operar N = 12.5/36.5/2 = 0.17 normal.

112

COMPRENDE LA UTILIDAD DE LOS SISTEMAS DISPERSOS

Las fórmulas matemáticas a utilizar se pueden describir en la siguiente tabla.

Fórmulas

Fórmulas derivadas

¿Cuántos gramos de H2SO4 será necesario disolver para preparar 780 ml. de solución 2.3 normal?

g= 2.3 Eq X (98/2) g/Eq X 0.78 L = 87.90 g de H2SO4

Actividad: 3 Resuelve los siguientes cálculos sobre concentración de soluciones.  Un líquido limpiador es una solución 9.75 molar de amoniaco, NH 3, ¿Cuántos gramos de amoniaco contiene 1 galón de solución limpiadora? 1 galón= 3.78 litros



Se evaporan 250 ml de una solución y quedan 20 gramos de glucosa C6H6O6. ¿Cuál es la molaridad de la solución.



Una mezcla para quitar cochambre se preparó con 15 gramos de hidróxido de sodio (NaOH) en un volumen de 3 litros de agua. ¿Cuál es la concentración de esta mezcla limpiadora en eq/litro?

BLOQUE 3

113

Actividad: 3 (continuación) Resuelve los siguientes cálculos sobre concentración de soluciones. 



Se disuelven 3 g de nitrato de sodio en agua hasta llegar a 250 mL de disolución. La densidad de esta disolución es igual a 1.12 g/mL. Determine la concentración: a) molar b) normal c) porciento en peso

Una disolución de H2SO4 que contiene 487.6 g de H2SO4 por cada litro de disolución Calcule:

a) la molaridad c) la normalidad

 Se tienen 160 g de una disolución de NaCl al 11.25% m/m. La disolución tiene una densidad de 1.33 g/ml Calcule: a) b) c) d)

Molaridad Normalidad %p/v Volumen de la disolución

Actividad: 3 Conceptual Define concentración de soluciones en molaridad y normalidad. Autoevaluación

114

Evaluación Producto: Solución de problemas. Saberes Procedimental Determina la concentración de soluciones. C

MC

NC

Puntaje: Actitudinal Es cuidadoso en la resolución de problemas.

Calificación otorgada por el docente

COMPRENDE LA UTILIDAD DE LOS SISTEMAS DISPERSOS

Suspensiones. Las suspensiones son disoluciones en las cuales el tamaño de sus partículas es mayor de 100 nanómetros, razón por la cual se sedimentan en reposo; por lo tanto, las suspensiones son mezclas heterogéneas distinguiéndose dos fases diferentes. Muchos jarabes medicinales son suspensiones, por lo que deben agitase antes de administrarse; cuando la mezcla es entre líquidos no miscibles o insolubles entre sí, se llaman emulsiones.

Agítese antes de usarse

Las suspensiones son mezclas formadas por un sólido en polvo (soluto o pequeñas partículas no solubles (fase dispersa) y sedimentables en el líquido dispersor en que se encuentra. Como el tamaño de las partículas es suficientemente grande para ser atraídas por la gravedad y detenidas por el papel filtro, dicha propiedad se aprovecha para separarlas por medio de la filtración. Por el contrario para que se mantengan en suspensión es necesario agitarlas, puesto que en reposo se separan poco a poco del medio dispersante. Al agitar la suspensión ésta se enturbia, no se transparenta ni es homogénea.

Como ejemplos de las suspensiones en los medicamentos están algunos medicamentos para agruras, diarrea y malestar estomacal. Otro ejemplo es el de los antibióticos a los que se les debe añadir agua y agitarlos antes de suministrarse. La penicilina que se aplica por vía oral o intramuscular es una suspensión. Suele guardarse en polvo y disolverse con agua cuando se va ha consumir, debido a que los antibióticos se descomponen una vez que están disueltos. En polvo tiene un tiempo de vida activa más largo. Otros ejemplos de suspensión son la mezcla de agua y arena, refrescos elaborados con zumos de frutas, el cemento mezclado con arena, algunas pinturas vinílicas. Los componentes de una suspensión pueden separar por medio de centrifugación, decantación, filtración, flotación y evaporación.

Coloides. Un coloide, suspensión coloidal o dispersión coloidal es un sistema físico compuesto por dos fases: una continua, normalmente fluida, y otra dispersa en forma de partículas, por lo general sólidas, de tamaño intermedio entre las suspensiones y disoluciones. Se trata de partículas que no son apreciables a simple vista, pero mucho más grandes que cualquier molécula. Su tamaño entre unos 10 nanómetros y 10 micrómetros. Aunque el coloide por excelencia es aquel en el que la fase continua es un líquido y la fase dispersa se compone de partículas sólidas, pueden encontrarse coloides cuyos componentes se encuentran en otros estados de agregación El nombre coloide proviene de la raíz griega kolas que significa que puede pegarse. Este nombre hace referencia a una de las principales propiedades de los coloides: su tendencia espontánea a agregar o formar coágulos. La importancia de los coloides radica en que todos los sistemas biológicos son coloidales en cierta medida. Se sabe que la célula viva depende de partículas coloidales en el protoplasma (solución coloidal como lo son la sangre y otros fluidos en el organismo) para realizar sus funciones químicas de crecimiento y metabolismo. Otros materiales coloidales son de gran importancia en diversos aspectos de la vida cotidiana e industrial, ejemplos de estas sustancias son la pasta dentífrica, la mayoría de los quesos, ciertas pinturas, niebla, humo, smog, gelatinas, entre otras.

BLOQUE 3

115

Clasificación de los coloides. Los sistemas coloidales, dependiendo de la naturaleza de la fase dispersora se clasifican en soles, geles, emulsiones, aerosoles. A continuación se presenta esta clasificación en la siguiente tabla. Fase dispersa Líquido Sólido

Fase dispersante Gas Gas

Tipo Aerosol Aerosol

Gas

Líquido

Espuma

Líquido

Líquido

Emulsión

Sólido Gas Líquido

Líquido Sólido Sólido

Sol Espuma Gel

Sólido

Sólido

Sol sólido

Ejemplos Niebla, humo, rocío Humo, virus en el aire, gases de los automóviles Crema batida, espuma para extinguir incendios Leche de magnesia, crema facial, Detergentes, pinturas Hule espuma, malvavisco Jalea, quesos, gelatina, gel para el cabello Gemas coloridas como rubí,

Propiedades de los coloides. Movimiento browniano. Su nombre se debe a que, en 1827, el botánico inglés Robert Brown observó que los granos de polen suspendidos en agua presentan un modelo de movimiento aleatorio. Se puede apreciar en un coloide, al microscopio y se caracteriza por un movimiento rápido de partículas, caótico continuo, en forma de zig-zag, el cual se debe al choque de partículas dispersa con las del medio. Efecto Tyndall. Es una propiedad óptica de los coloides y consiste en la difracción de los rayos de luz que pasan a través de un coloide. Fue investigado por John Tyndall. Cotidianamente se observa este fenómeno en el polvo atmosférico que dispersa la luz que pasa a través de el y en la luz de los faros que atraviesan la niebla para guiar a los barcos. Carga eléctrica. Las partículas presentan carga eléctricas positivas o negativas. Adsorción. Los coloides son excelentes adsorbentes debido al tamaño de sus partículas y a la superficie grande. Esta propiedad se relaciona en forma directa con la extensa área superficial presentada por las partículas muy pequeñas. Los coloides por efecto de la coagulación debido a cargas eléctricas, se utilizan para eliminar partículas suspendidas de los gases que salen de las chimeneas industriales. Un ejemplo aplicado a los hogares son los recipientes con carbón activado que se colocan dentro de los refrigeradores para eliminar los olores de los alimentos ahí colocados o bien los pequeños modelos de limpiadores electrónicos de aire, eliminando efectivamente las partículas coloidales que están en el aire (polen, polvo, etcétera) cuando atraviesan una sección ionizante del limpiador, donde reciben una descarga eléctrica fuerte, como lo muestra la figura:

116

COMPRENDE LA UTILIDAD DE LOS SISTEMAS DISPERSOS

Diálisis Es la separación de dos o más sustancias mediante una sustancia porosa en agua (diafragma), la cual divide las sustancias cristalizables de las que no pueden efectuar dicho proceso. Por lo general el término diálisis significa la acción de separar coloides de no coloides. Las membranas que impiden el paso de los coloides se llaman dializantes, y como ejemplos el celofán, el pergamino, el algodón mercerizado y algunos plásticos. Las membranas dializantes se encuentran en animales y plantas, y el fenómeno de la diálisis constituye un proceso biológico de gran importancia. De hecho, las membranas de las células del cuerpo son de tipo dializante. Estas membranas proporcionan el medio para la transferencia del agua, de las moléculas de tamaño normal y de los iones que entran y salen en las células del organismo. Los riñones humanos constituyen un sistema dializante complejo que es responsable de la separación de toxinas de la sangre. Estos productos son eliminados por la orina. Cuando los riñones fallan, las toxinas se almacenan y, consecuentemente, envenenan el cuerpo. En algunos casos de fallas renales, se somete a las personas a tratamiento de diálisis (hemodiálisis). Este tratamiento se basa en la considerable diferencia entre el tamaño de las partículas coloidales y las moléculas de solución verdadera. Los coloides, en virtud de su preparación, normalmente van acompañados de iones y otros componentes solubles de bajo peso molecular bajo los cuales se busca eliminar hasta cierto grado. Para la purificación de las soluciones coloidales por diálisis se usan membranas semipermeables y este proceso se lleva a cabo al introducir la dispersión en un recipiente cuyo fondo o cuyas paredes son membranas semipermeables y que se sumergen en el disolvente puro, que se hace circular de manera continua. Los componentes de bajo peso molecular atraviesan la membrana y son eliminados de la dispersión. La diálisis es muy común en el tratamiento purificación de sangre, o separación de ciertos solutos como la urea, cuando los riñones no pueden hacer su función. Floculación. Se define como la precipitación o flotación de las sustancias que se hallan emulsionadas o en disolución coloidal. Este fenómeno puede ocurrir por diversos factores, tales como calor, electricidad, por sustancias o agentes químicos, etc. En la mayoría de los sistemas coloidales, la separación de las fases se facilita y acelera considerablemente cuando se adicionan pequeñas cantidades de sales, con objeto de alterar la carga eléctrica de las partículas y de promover su aglutinación y sedimentación. Este proceso se conoce como coagulación-floculación, y tiene amplia aplicación en los procesos de tratamiento de aguas. La agregación de partículas a un sistema da por resultado la coagulaciónfloculación, produciendo un cambio en el estado del sistema disperso y, como consecuencia, una perturbación de su equilibrio o estabilidad. Si bien en el ámbito industrial es muy importante la estabilidad de los coloides en productos tales como talcos, cosméticos, cremas, etc., en el tratamiento de aguas residuales es muy importante la desestabilización de los mismos.

BLOQUE 3

117

Cierre Actividad: 4 Elabora un cuadro comparativo donde se muestren las propiedades y características de las disoluciones, coloides y suspensiones (tamaño de la partícula, homogeneidad, acción de la gravedad, filtrabilidad, etc.,), ejemplos cotidianos y sus usos.

Sistema disperso Coloide

Característica y propiedades

Ejemplos cotidianos

Usos o aplicaciones

Suspensión

Disolución

Actividad: 4 Conceptual Reconoce la disolución, suspensión y coloide. Autoevaluación

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Evaluación Producto: Cuadro comparativo. Puntaje: Saberes Procedimental Actitudinal Clasifica y ejemplifica con Asume la importancia de los productos cotidianos a los sistemas dispersos presentes sistemas dispersos. en su entorno. C MC NC Calificación otorgada por el docente

COMPRENDE LA UTILIDAD DE LOS SISTEMAS DISPERSOS

Actividad: 5 En equipo, propongan y lleven a cabo un procedimiento experimental para determinar si una mezcla de dos componentes es una solución, suspensión o coloide. La propuesta experimental debe aplicar el método científico. Elijan ingredientes inofensivos para las mezclas. Entreguen reporte escrito en el tiempo y forma indicada por su docente.

BLOQUE 3

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Actividad: 5 (continuación)

Actividad: 5 Conceptual Distingue entre: disolución, suspensión y coloide en forma experimental. Coevaluación

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Evaluación Producto: Reporte de actividad experimental. Saberes Procedimental Clasifica y ejemplifica sistemas dispersos en forma experimental. C

MC

NC

Puntaje: Actitudinal Es cuidadoso en el desarrollo del trabajo experimental. Colabora en el trabajo grupal, aportando ideas precisas.

Calificación otorgada por el docente

COMPRENDE LA UTILIDAD DE LOS SISTEMAS DISPERSOS

Secuencia didáctica 3. Ácidos y bases. Inicio Actividad: 1

Inicio

Contesta las siguientes preguntas. Si alguna de las sustancias mencionada se presenta empacada puedes consultar su etiqueta. Menciona 5 ejemplos de sustancias ácidas presentes en tu vida diaria.

¿Qué características presentan las sustancias que identificaste como ácidos?

¿Qué aplicaciones tienen las sustancias mencionadas?

¿La utilización de sustancias ácidas representa algún peligro? ¿Qué daños pueden provocar?

BLOQUE 3

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Actividad: 1 Conceptual Identifica la presencia de sustancias ácidas en su entorno. Autoevaluación

Evaluación Producto: Cuestionario. Puntaje: Saberes Procedimental Actitudinal Elige sustancias ácidas de su Asume los riesgos presentes entorno y explica los riesgos de en la utilización de sustancias su uso. ácidas. C MC NC Calificación otorgada por el docente

Desarrollo Características de ácidos y bases. Desde hace más de 300 años, los químicos han clasificado como ácidos a sustancias que se comportan como el vinagre, y a las que tienen las propiedades de las cenizas como bases o álcalis. El nombre “ácido” se deriva de ácidus, que significa agrio en latín, e indica el olor y sabor agudos de muchos ácidos. Por ejemplo, el vinagre sabe ácido porque es una solución diluida de ácido acético en agua. El jugo de limón sabe ácido porque contiene ácido cítrico. La leche se agria al echarse a perder porque se forma ácido láctico, y se puede atribuir el olor agrio de la carne o la mantequilla descompuestas a sustancias como el ácido butírico, que se forman cuando se echa a perder la grasa. Una de las propiedades características de los ácidos es su capacidad de disolver a muchos metales. Por ejemplo, el zinc metálico se disuelve con rapidez en ácido clorhídrico para formar una solución acuosa de ZnCl 2 e hidrógeno gaseoso: Zn(s) + 2HCl(ac) → Zn2+ + 2 Cl-(ac) + H2(g) Otra propiedad característica de los ácidos en su capacidad de cambiar el color de colorantes vegetales, como el tornasol (Crozophora tinctoria). Sustancia colorante de origen orgánico y color azul violáceo que se emplea para reconocer los ácidos: el tornasol se vuelve rojo al mezclarse con un ácido. Las bases también tienen propiedades características. Su sabor es caústico y con frecuencia se sienten resbalosas, cambian el color tornasol de rojo a azul, invirtiendo el cambio que producen los ácidos. Los bases pierden su alcalinidad cuando se combinan con ácidos, y éstos pierden su sabor agrio característico y su capacidad de disolver metales, cuando se mezclan son álcalis. Los ácidos y bases son un importante grupo de substancias en las que su definición ha ido cambiando. Así, los ácidos eran las substancias de sabor a vinagre y bases las que sabían a lejía; después los ácidos eran los que enrojecían el papel azul de tornasol y las bases las que ponían azul el papel rojo de tornasol. En 1889, Svante August Arrhenius llamó ácidos a las substancias que en disolución acuosa liberan iones hidrógeno (H+) y bases las que liberan iones oxhidrilo (OH–). El mayor conocimiento de la estructura de la materia y de las disociaciones de electrólitos en disolventes diferentes del agua, ha originado definiciones más amplias de los ácidos y las bases. A partir de 1923 Johannes Nicolaus Brönsted y Thomas Lowry llaman ácido a toda sustancia o grupo atómico que cede un protón y base a toda sustancia o grupo atómico que acepta un protón. Así, es el siguiente equilibrio:

AH

A+ + H+

AH es un ácido (el ácido conjugado de A+) porque puede ceder un protón y al ion A+ se considera una base (la base conjugada de H+) porque puede aceptar un protón. Gilbert Newton Lewis amplió las definiciones, llamando ácido a toda molécula o grupo atómico que puede aceptar electrones y base a la especie química que cede electrones. Esta definición abarca a los ácidos y bases según Brönsted y Lowry y según Arrhenius y muchos otros compuestos a los que se acostumbra denominar ácidos de Lewis y bases de Lewis. El AlCl3 es un ácido de Lewis, porque tiende a aceptar dos electrones para completar su capa externa de gas noble. El NH3 es una base de Lewis porque tiende a compartir su par de electrones. El agua 122

COMPRENDE LA UTILIDAD DE LOS SISTEMAS DISPERSOS

puede considerarse como una base o como un ácido de Lewis. La reacción de un ácido con una base se llama neutralización, por que los H+ y OH– forman agua neutra. Una sustancia que actúa como ácido o como base se llama anfótero. Como el agua es anfótero, puede existir una transferencia de protones entre las moléculas de agua. Esto es, las moléculas de agua pueden reaccionar entre sí.

H2O + H2O

H3O+ + OH–

Esta reacción reversible se desplaza débilmente hacia la derecha produciendo en agua pura iguales, pero muy pequeñas, concentraciones del ion hidronio (H3O+) y ion hidróxido (OH–). El agua pura o una solución acuosa que contiene iones hidronio e hidróxido en concentraciones iguales, se denomina solución neutra.

¿Ácido o básico? Cuando se mezcla un ácido con agua se forma más ion hidronio. Aún los ácidos débiles reaccionan con el agua. Una solución acuosa que posee una concentración de ion hidronio que es mayor a la del agua pura se llama solución ácida. Cuando se disuelve un ácido en agua, resulta una solución ácida. Cuando se mezcla una base con agua, reacciona para formar ion hidróxido. Cuando una solución acuosa tiene una concentración de ion hidróxido mayor que la del agua pura se llama solución básica. Cuando se disuelve una base en agua, se obtiene una solución básica. La mayor parte de soluciones biológicas y de las soluciones empleadas en los laboratorios químicos tienen concentraciones específicas de ion hidronio o acidez específica. Por ejemplo, la sangre humana contiene una concentración determinada de ion hidronio. La acidez de la sangre se mantiene dentro de niveles precisos gracias a diferentes procesos que ocurren en el cuerpo. Cualquier desviación significativa de la acidez causa la muerte. Ciertas enfermedades y condiciones orgánicas producen un cambio dramático en la concentración de ion hidronio en la sangre. En el agua pura o en una solución acuosa neutra que no contenga ácidos ni bases, las concentraciones de ion hidronio y ion hidróxido son iguales. En una solución neutra a 25°C, la concentración de cada uno de estos dos iones es 10–7 molar (M). Esto es, [H3O+]= [H+]=10–7 M donde los corchetes [ ] denotan la concentración molar de la especie encerrada en ellas. Cuando un ácido está en solución, reacciona con el agua aumentando la concentración de ion hidronio. Este aumento causa que el equilibrio del agua se desplace, resultando una concentración más baja de ion hidróxido. Una solución ácida se caracteriza por poseer una concentración de ion hidronio mayor de 10 –7. Cuando hay una base en la solución, aumenta la concentración de ion hidróxido. Este aumento origina un desplazamiento del equilibrio, y disminuye la concentración del ion hidronio. Una solución básica tiene una concentración de ion hidróxido mayor que 10–7 M y una concentración de ion hidronio menor que 10–7. Dado que estas concentraciones cubren un rango muy amplio, se ha diseñado una escala especial para expresar las concentraciones de ion hidronio o potencial de hidrógeno en soluciones acuosas. Se llama escala de pH y se basa en la siguiente definición: el pH es el negativo del logaritmo de la concentración de ion hidronio.

pH=–log[H3O+] = pH = -log[H+] Se llaman neutras las soluciones en las que son iguales las concentraciones de iones H3O+ y OH–. Las soluciones en las que la concentración de iones hidronio es mayor que H 3O+M a 25°C se llaman ácidas. Cuando su concentración de iones H3O+ es menor que H3O+ son básicas. Así, a 25°C, cuando el pH de una solución es menor que 7, esa solución es ácida. Cuando el pH es mayor que 7, la solución es básica. La concentración del ion H3O+ en el agua pura a 25°C es de 1x10–7 M. En consecuencia, el pH del agua pura es 7.

pH=–log[1x10–7 M]=7.0

BLOQUE 3

123

De igual forma se puede hablar de otra escala poco usada que se refiere al potencial de Hidróxido o pOH que tiene el mismo tratamiento matemático.

pOH = -log[OH-]

[H+] 1 x 100 1 x 10-1 1 x 10-2 1 x 10-3 1 x 10-4 1 x 10-5 1 x 10-6 1 x 10-7 1 x 10-8 1 x 10-9 1 x 10-10 1 x 10-11 1 x 10-12 1 x 10-13 1 x 10-14

pH 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

[OH-] 1 x 10-14 1 x 10-13 1 x 10-12 1 x 10-11 1 x 10-10 1 x 10-9 1 x 10-8 1 x 10-7 1 x 10-6 1 x 10-5 1 x 10-4 1 x 10-3 1 x 10-2 1 x 10-1 1 x 100

pOH 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Estado

Ácido

Neutro

Básico o Alcalino

Al agregar un ácido al agua aumenta la concentración de H3O+ y disminuye la de OH–. Al agregar una base sucede lo contrario. Sin embargo, independiente de lo que se agregue al agua, el producto de las concentraciones de esos iones en el equilibrio siempre es igual a 1x10–14 a 25°C.

[H3O+][OH–]= 1x10–14 La relación entre el pH y el pOH de una solución acuosa se puede deducir sacando logaritmo de ambos lados en la ecuación:

log{[H3O+][OH–]}= log1x10–14 El logaritmo del producto de dos números es igual a la suma de sus logaritmos. Así, la suma de los logaritmos de las concentraciones de H3O+ y OH– es igual al logaritmo de 10–14.

log[H3O+]+log[OH–]= –14 Se multiplican ambos lados de la ecuación por –1:

– (log[H3O+] +log [OH–])= –(–14) (–log[H3O+]) +(–log [OH–])= 14 Al sustituir las definiciones de pH y pOH en la ecuación se obtiene el siguiente resultado:

pH + pOH = 14

124

COMPRENDE LA UTILIDAD DE LOS SISTEMAS DISPERSOS

El pH es una medida de la acidez o la alcalinidad. La escala de pH va desde 0 a 14. El punto medio de la escala del pH es 7, aquí hay un equilibrio entre la acidez y alcalinidad. Dicha solución seria neutral.

En la siguiente tabla se muestra el pH de varias sustancias: Muestra

pH

Jugo gástrico en el estomago

1.0 – 2.0

Jugo de limón

2.4

Vinagre

3

Jugo de toronja

3.2

Jugo de naranja

3.5

Orina

4.8-7.5

Agua expuesta al aire

5.5

Saliva

6.4-6.9

Leche

6.5

Agua pura

7

Sangre

7.35-7.45

Lagrimas

7.4

Leche de magnesia

10.6

Limpiador doméstico con amoniaco

11.5

Tradicionalmente, las mediciones de pH en el laboratorio se hicieron con indicadores ácido-base, que son ácidos o bases débiles que cambian de color al ganar o perder un ion H +. Esos indicadores se siguen usando en el laboratorio para medir el pH aproximado. Como ejemplo de un indicador ácido-base se tiene al tornasol, que cambia a rojo en soluciones cuyo pH es inferior a 5, y se vuelve azul cuando el pH es mayor que 8.

BLOQUE 3

125

Indicadores ácido-base www.vaxasoftware.com/indexes.html INDICADOR amarillo de alizarina GG azul de bromofenol azul de bromotimol fenolftaleína m-cresolpúrpura naranja de metilo púrpura de bromocresol rojo congo rojo de bromofenol rojo de cresol rojo de fenol rojo de metilo rojo neutro timolftaleína tornasol violeta de metilo 4-dimetilaminobenzol (F) esculina (F) beta-naftilamina (F) alfa-naftilamina (F) fluoresceína (F) eosina (F) eritrosina (F) acridina (F) umbeliferona (F) cumarina (F) beta-metil umbeliferona

Color ácido Amarillo claro Amarillo Amarillo Incoloro Amarillo Rojo Amarillo Azul violeta Naranja amarillo Amarillo Amarillo Rojo Azul rojizo Incoloro Rojo Amarillo Rojo Índigo débil Incoloro Incoloro Azulado Incoloro Incoloro Verde Incoloro Incoloro Índigo débil

pH viraje 10,0 - 12,1 3,0 - 4,6 6,0 - 7,6 8,2 - 9,8 7,4 - 9,0 3,1 - 4,4 5,2 - 6,8 3,0 - 5,2 5,2 - 6,8 7,0 - 8,8 6,4 - 8,2 4,4 - 6,2 6,4 - 8,0 8,6 - 10,0 5,0 - 8,0 0,1 - 1,6 2,9 - 4,0 1,0 - 1,5 2,8 - 4,4 3,4 - 4,8 3,8 - 4,3 3,9 - 4,5 3,7 - 4,6 5,3 - 6,4 6,2 - 8,3 9,2 - 10,5 6,9 - 7,1

Color básico Rojo castaño Violeta Azul Violeta / rosa Púrpura Amarillo naranja Púrpura Rojo naranja Púrpura Púrpura Rojo Amarillo naranja Naranja amarillo Azul Azul Azul / violeta Amarillo naranja Azul intenso Violeta Azul Azul intenso Amarillo naranja Amarillo verdoso Violeta Azul intenso Verde amarillo Azul intenso

(F): Indicador fluorescente.

Es común usar un papel el cual ha sido previamente impregnado y tratado con una mezcla de estos indicadores para dar una variedad de colores que cubra en gran medida los valores de la escala de pH, Los indicadores se han sustituido, en gran medida, por los potenciómetros, pehachímetros o medidores de pH, que son más exactos. El sensor real de un potenciómetro es un electrodo formado por un tubo lleno de resina, con un bulbo de vidrio delgado en uno de sus extremos. Cuando ese electrodo se sumerge en la solución que se va a medir, produce un potencial eléctrico que es directamente proporcional a la concentración de iones H 3O+ en la solución.

126

COMPRENDE LA UTILIDAD DE LOS SISTEMAS DISPERSOS

Cálculos de pH.  El ácido nítrico (HNO3) se utiliza en la producción de fertilizantes, colorantes, fármacos y explosivos. Calcule el pH de una disolución de HNO3 cuya concentración de iones hidrógeno es 0.76 M.

pH= –log[H3O+] pH= –log 0.76 pH= 0.1192 

El pH del agua de lluvia, recolectada en cierta zona del noroeste de Estados Unidos durante cierto día, fue de 4.82. Calcule la concentración de iones H+ del agua de lluvia.

pH= –log[H3O+] 4.82=–log[H3O+] Se multiplican ambos lados de la ecuación por –1:

–4.82=log[H3O+] Aplicando la función inversa de logaritmo (antilogaritmo) la cual se expresa en la calculadora científica como entonces la concentración de hidrógeno se calcula de la siguiente forma:

10x

H= 10–4.82 H= 1.5x10–5 Muchos procesos industriales dependen en gran medida del control del pH. Especialistas en refinerías de azúcar, cervecerías, fábricas de papel, ingeniería sanitaria, bacteriología, necesitan conocer el conocer el comportamiento de los ácidos y bases. Los procesos en los que la regulación del pH es crítica, son los vitales.

BLOQUE 3

127

Actividad: 2 Resuelve los cálculos solicitados en cada uno de los siguientes casos. Calcula el pOH para las siguientes sustancias: sangre, leche, vinagre, saliva y leche de magnesia e indica si son sustancias ácidas o básicas. Utiliza los datos de la tabla que se encuentra en la página 125.

Calcula el pH para una solución de amoniaco NH3 1 M.

Calcula [H3O a) b) c) d)

+

] y [OH–] para soluciones que tienen los siguientes valores de pH y pOH:

pH= 2 pOH=9 pH=2.8 pOH=4.8

Actividad: 2 Conceptual Determina el carácter de una solución con base en el pH. Autoevaluación

128

Evaluación Producto: Resolución de problemas Saberes Procedimental Calcula el pH de soluciones acuosas. C

MC

NC

Puntaje: Actitudinal Aplica con seguridad las operaciones para calcular pH.

Calificación otorgada por el docente

COMPRENDE LA UTILIDAD DE LOS SISTEMAS DISPERSOS

Reacciones de neutralización y titulación. A diario se vive en presencia de compuestos que son ácidos y otros que son bases. Los ácidos presentes en limones, naranjas y manzanas verdes. Uno de los aderezos para las ensaladas es el vinagre (ácido acético). Los ácidos son de gran valor no sólo para usarlos en pequeñas cantidades y dar un toque ácido a los alimentos, sino también porque evitan que microorganismos dañen los alimentos y la salud. El bicarbonato de sodio (base) en pequeñas cantidades se utiliza para ablandar los granos. En el baño se utilizan jabones y champús que contienen pequeñas cantidades de bases para eliminar las grasas del cuerpo y cabello. Algunos productos comerciales de limpieza contienen amoníaco (base) y otros contienen ácidos como el clorhídrico. Para destapar cañerías se usan productos que contienen hidróxido de sodio (base). Para limpiar hornos se aplican productos que contienen hidróxido de aluminio (base). Estos productos de limpieza deben ser manipulados con mucho cuidado y jamás deben mezclarse. El estómago produce ácido clorhídrico para digerir los alimentos. Durante la respiración también se generan pequeñas cantidades de ácido carbónico. Mientras se hace ejercicio se produce ácido láctico, el mismo que contiene la leche. El pescado al descomponerse produce aminas, unas bases de olor muy desagradable, las cuales al agregársele jugo de limón que contiene ácido cítrico, quedan neutralizadas y adiós olor. Las bacterias pueden descomponer los azúcares y producir ácidos que dañan el esmalte dental y producen caries. Algunas pastas de dientes contienen carbonato de calcio y bicarbonato de sodio (bases) que las neutraliza. Algunos shampoo contienen ácido cítrico para evitar la acción de las bases sobre los ojos, el cabello y la piel. Como se observa, una base puede neutralizar a un ácido y un ácido a una base. Si se tiene una muestra de vinagre y se quiere saber la concentración o cantidad de ácido acético presente en la muestra. Se mide el volumen de ésta y se agrega el volumen necesario de una solución de hidróxido de sodio (de concentración conocida) para que reaccione con el ácido acético (neutralización). Dado que se conoce la ecuación de la reacción que tiene lugar y el volumen y concentración de la solución de hidróxido de sodio utilizada, será posible determinar la cantidad de ácido acético mediante cálculos estequiométricos. El proceso experimental para determinar la concentración, es un método químico conocido como valoración ácidobase. Por medio de una bureta se miden cuidadosamente las cantidades de una base estándar (de concentración conocida) y se coloca el ácido desconocido en el matraz que contiene el indicador. Cuando la neutralización completa alcanza el llamado punto final de la valoración, se observa un cambio bien marcado de color en el indicador ácido-base. Por el volumen medido de la base de concentración requerida para la neutralización completa, se puede calcular la concentración de la muestra de ácido, lo mismo se puede hacer si la muestra de concentración desconocida es una base

BLOQUE 3

129

Para determinar la concentración de un ácido o de una base se titulan con soluciones valoradas (0.1 N usualmente) de bases como el NaOH o ácidos como HCl La titulación se basa en la reacción de neutralización. En el punto final de la titulación, el número de equivalentes de ácido es igual al número de equivalentes de base añadidos. De aquí resulta la expresión: # Equivalentes de ácido = # Equivalentes de base

NaVa=NbVb se mide Va y Vb y conociendo las normalidades de Na o Nb se puede calcular la otra concentración. Na= normalidad de la base. Nb= normalidad del ácido. Va= volumen de ácido. Vb= volumen de base. Para conocer el momento en el que se da la neutralización se agrega un indicador apropiado para que en el momento del viraje del color se detenga el proceso de añadir volumen de la solución de concentración conocida. Ese momento de neutralización también se puede detectar mediante el uso del potenciómetro.

Cálculos. Se necesitaron 25 mililitros de NaOH 0.1N para neutralizar 12.5 ml de disolución de HCl. Encuentre la concentración del HCl. Datos: Nb= 0.1 N NaOH

NaVa=NbVb

Vb= 25 ml

Na=NbVb

Va= 12.5

Va

Na= x

130

Na = (0.1 n) (25 ml) 12.5 ml La concentración del HCl es de 0.2 N

COMPRENDE LA UTILIDAD DE LOS SISTEMAS DISPERSOS

Cierre Actividad: 3 Con base en lo revisado en esta secuencia responde lo que se solicita a continuación.

Define ácidos y bases por su modo de acción con el agua.

Define ácidos y bases según los conceptos de Bronsted-Lowry y de Lewis.

Explica la importancia de las sustancias o soluciones ácidas y básicas en tu vida diaria.

¿Por qué es necesario conocer el pH de los soluciones?

Actividad: 3 Conceptual Define: ácido y bases.

Autoevaluación

BLOQUE 3

Evaluación Producto: Cuestionario. Saberes Procedimental Argumenta la importancia de los ácidos y bases, en su vida diaria. C

MC

NC

Puntaje: Actitudinal Valora la importancia y utilidad de las sustancias ácidas y básicas en su vida.

Calificación otorgada por el docente

131

132

COMPRENDE LA UTILIDAD DE LOS SISTEMAS DISPERSOS

Valora la importancia de los compuestos del carbono en su entorno

Unidad de competencia:

Explica las propiedades y características de los grupos de elementos, considerando su ubicación en la Tabla Periódica, y promueve el manejo sustentable de los recursos minerales del país.

Atributos a desarrollar en el bloque:

Durante el presente bloque se busca desarrollar los siguientes atributos de las competencias genéricas: 3.2 Toma decisiones a partir de la valoración de las consecuencias de distintos hábitos de consumo y conductas de riesgo. 4.1 Expresa ideas y conceptos mediante representaciones lingüísticas, Matemáticas o gráficas. 5.1 Sigue instrucciones y procedimientos de manera reflexiva, comprendiendo cómo cada uno de sus pasos contribuye al alcance de un objetivo. 5.2 Ordena información de acuerdo a categorías, jerarquías y relaciones. 5.3 Identifica los sistemas y reglas o principios medulares que subyacen a una serie de fenómenos. 5.4 Construye hipótesis y Diseña y aplica modelos para probar su validez. 5.6 Utiliza las tecnologías de la información y comunicación para procesar e interpretar información. 6.1 Elige las fuentes de información más relevantes para un propósito específico y discrimina entre ellas de acuerdo a su relevancia y confiabilidad. 6.3 Reconoce los propios prejuicios, modifica sus propios puntos de vista al conocer nuevas evidencias, e integra nuevos conocimientos y perspectivas al acervo con el que cuenta. 7.1 Define metas y da seguimiento a sus procesos de construcción de conocimientos. 8.1 Propone manera de solucionar un problema y desarrolla un proyecto en equipo, definiendo un curso de acción con pasos específicos. 8.2 Aporta puntos de vista con apertura y considera los de otras personas de manera reflexiva. 8.3 Asume una actitud constructiva, congruente con los conocimientos y habilidades con los que cuenta dentro de distintos equipos de trabajo.

Tiempo asignado: 15 horas.

Secuencia didáctica 1. Estructura de los compuestos del carbono. Inicio Actividad: 1 Con base en sus conocimientos sobre configuración electrónica y enlace químico respondan los siguientes cuestionamientos y comenten sus respuestas con el resto del grupo. Pueden utilizar la tabla periódica. ¿Qué es el enlace químico? __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________

¿Qué son los electrones de valencia? ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ Explica las características del enlace covalente: __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ ¿En qué consiste la ley o regla del octeto? __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ 

A partir de la configuración electrónica del sodio 1s22s22p63s1, responde lo siguiente: a) ¿Cuántos electrones en total tiene este átomo? _______________ b) ¿Cuál es su nivel de valencia? ____________________________ c) ¿Cuántos electrones de valencia tiene? _____________________

134

VALORA LA IMPORTANCIA DE LOS COMPUESTOS DEL CARBONO EN SU ENTORNO

Actividad: 1



La configuración del magnesio es 1s22s22p63s2. Señala su estructura de Lewis o puntual.

Desarrolla la configuración electrónica algebraica, gráfica y puntual para el átomo de Carbono. 6



C

Analicen el ejemplo presentado y con base en ello completen el siguiente cuadro: Elementos del grupo

No. de electrones de valencia

I A (1)

Estructura de Lewis

1

Ejemplo

Electrones que tienden a ganar, perder o compartir Perder 1

II A (2) III A (13) IV A (14) V A (15) VI A (16) VII A (17)



Completen el siguiente cuadro representando, mediante la estructura de Lewis, el enlace covalente entre los siguientes átomos. (Consulten la tabla periódica para conocer sus electrones de valencia). Sustancia H2O

Elementos

Estructura de Lewis del átomo del elemento

Estructura de Lewis de la molécula

H, O

HF CO2 NH3

BLOQUE 4

135

Evaluación Actividad: 1

Producto: Cuestionario.

Puntaje:

Saberes Conceptual Confirma los antecedentes en los conceptos de enlace químico y configuración electrónica.

Procedimental

C Autoevaluación

Actitudinal

Explica conceptos. Representa y realiza configuraciones electrónicas y enlaces covalentes. MC

NC

Colabora en el trabajo grupal aportando ideas claras y correctas.

Calificación otorgada por el docente

Desarrollo



Antecedentes de Química Orgánica La Química Orgánica se define actualmente como la Química que estudia la estructura, comportamiento, propiedades y usos de los compuestos del carbono. Los términos química orgánica y compuestos orgánicos surgieron en el siglo XVIII como parte de la influencia de la Teoría Vitalista, la cual sostenía que los compuestos orgánicos solamente podían ser formados o sintetizados por los organismos vivos a través de un “vis vitalis”, inherente a la vida. Esta teoría señalaba que los compuestos como el azúcar, urea, almidón, ceras y aceites vegetales eran considerados orgánicos, pues se creía que tales productos necesitaban de una “fuerza vital” para ser creados por los animales y los vegetales. La química orgánica, por lo tanto, se dedicaba al estudio de compuestos con fuerza vital, mientras que la química inorgánica al estudio de gases, rocas, minerales, y compuestos que podían prepararse en forma inorgánica y sin necesidad de una fuerza vital a partir de compuestos inorgánicos. En el siglo XIX, se advirtió la necesidad de volver a definir el significado de Química Orgánica. Los experimentos habían demostrado que los compuestos orgánicos podían sintetizarse a partir de compuestos inorgánicos. Uno de estos experimentos lo realizó el célebre químico alemán, Friedrich Wöhler en 1828. Trató de obtener cianato de amonio por medio de la reacción del cianato de plomo con hidróxido de amonio y obtuvo un material cristalino, el cual no mostró las propiedades características de los cianatos. Este material cristalino posteriormente lo caracterizó como la urea, o sea convirtió en urea al cianato de amonio, que se obtenía del amoniaco y otras sustancias inorgánicas, tan sólo calentándolo en ausencia de oxígeno.

A Friedrich Wöhler (1800-1882) se le atribuye el inicio de la derrota de la teoría de la fuerza vital ya que en 1828 logró sintetizar la urea. En esta época Wöhler se encontraba trabajando con cianatos. Cuando estaba tratando de sintetizar el cianato de amonio obtuvo la urea. De esta forma preparó un compuesto orgánico sin la participación de algún organismo vivo, esto es, de una fuerza vital procedente de alguna fuente orgánica, sobre sus materias primas. En una carta que le escribió a Jöns Jakob Berzelius (1779-1848), Wöhler dice: “Puedo decirle a usted que puedo hacer urea sin utilizar los riñones de un ser humano o de un perro. El cianato de amonio es urea”. Es importante comentar aquí que el cianato de amonio se convierte en urea cuando se calienta:

Este descubrimiento producto de la casualidad da un gran impulso al estudio de nuevos compuestos de carácter orgánico, así como el hecho de derrumbar lo que fundamentaba la teoría vitalista. Hoy, aún cuando los compuestos orgánicos no necesitan una fuerza vital, se siguen diferenciando de los inorgánicos. La característica principal de estos compuestos, es que todos contienen uno o más átomos de carbono. Sin embargo, no todos los compuestos de carbono son sustancias orgánicas, pues el diamante, grafito, cianuros, monóxido y dióxido de carbono, cianato de amonio y carbonatos, se derivan de minerales y tienen propiedades que los

136

VALORA LA IMPORTANCIA DE LOS COMPUESTOS DEL CARBONO EN SU ENTORNO

caracterizan como inorgánicos. A pesar de estas excepciones, la mayor parte de los millones de compuestos del carbono son orgánicos. A principio del siglo XX, el número de compuestos inorgánicos y orgánicos era del mismo orden, unos cien mil. Actualmente se conocen muchos más compuestos orgánicos que inorgánicos. En los primeros intervienen en su formación todos los elementos de la tabla periódica, y en los segundos pocos son los que participan por ejemplo: C, H, O, N, S, P, los halógenos y algunos metales. El número de compuestos inorgánicos también aumenta, pero a un ritmo mucho menor. Pero, ¿Cuál es la razón principal de que existan tantos compuestos orgánicos?, ¿Qué tiene el carbono en especial, que se dedica toda una rama de la química a estudiar sus compuestos? Veamos algunas de las características del carbono y de sus compuestos. La Química Orgánica estudia aspectos tales como: Los componentes de los alimentos: carbohidratos, lípidos, proteínas y vitaminas. Industria textil Madera y sus derivados Industria farmacéutica Industria alimenticia Petroquímica Jabones y detergentes Cosmetología Plásticos La Química Orgánica es una ciencia estructural, es decir, se basa en el conocimiento de la estructura de las moléculas. Conociendo la estructura molecular de un compuesto orgánico pueden deducirse y explicarse, sus propiedades, sus reacciones con otros compuestos y diseñarse métodos para su síntesis. Por eso, la determinación de las estructuras moleculares es una tarea fundamental de la investigación en Química Orgánica. Entre 1858 y 1861, Friedrich August Kekulé, Archibald Scott Couper y Alexander Mijailovich Butlerov, trabajando en forma independiente, sentaron las bases de la teoría estructural. Esta teoría está integrada por dos ideas centrales: 1.

Los átomos de los elementos en los compuestos orgánicos pueden formar un número fijo de enlaces. La medida de esta capacidad se llama valencia. El carbono es tetravalente; es decir, cada átomo de carbono forma cuatro enlaces. El nitrógeno es trivalente. El oxígeno es divalente; los átomos de oxígeno forman dos enlaces. El hidrógeno y, por lo general, los halógenos son monovalentes; sus átomos forman sólo un enlace. Se propuso la utilización de guiones (–) que indican las valencias o enlaces de cada átomo.

2.

Un átomo de carbono puede usar una o más de sus valencias para formar enlaces con otros átomos de carbono. Puede utilizar una valencia, enlace sencillo; dos valencias, enlace doble y tres valencias, enlace triple.

BLOQUE 4

137

La importancia de la teoría estructural se puede apreciar si se considera un ejemplo simple. Dos compuestos que tienen la misma fórmula molecular, C2H6O, pero tienen propiedades muy distintas. Uno de los compuestos es llamado éter dimetílico, es un gas a temperatura ambiente, el otro compuesto, es llamado alcohol etílico, y es un líquido. Como la fórmula molecular de estos compuestos es la misma, no se tiene base alguna para comprender las diferencias entre ellos. Sin embargo, la teoría estructural soluciona esta situación por medio de las fórmulas estructurales de los dos compuestos, debido a que sus fórmulas estructurales son diferentes.

Al observar las fórmulas estructurales de estos dos compuestos se revelan sus diferencias. Los átomos de alcohol etílico están unidos en una forma distinta a los del éter dimetílico. En el alcohol etílico existe un enlace C–C–O; en el éter dimetílico el enlace es C–O–C. La fórmula química es la representación de una molécula. Debe proporcionar, como mínimo, dos datos importantes: qué elementos forman el compuesto y en qué relación atómica se encuentran dichos elementos en el mismo. La fórmula molecular de un compuesto indica el número y el tipo de átomos contenidos en una molécula de esa sustancia. En la química del carbono se emplean varias formas para representar la fórmula molecular, dependiendo de la información que se requiera: condensada, semidesarrollada y desarrollada o estructural.

138

VALORA LA IMPORTANCIA DE LOS COMPUESTOS DEL CARBONO EN SU ENTORNO

Tipo de representación Condensada

Desarrollada

Información Expresa los elementos y el número de átomos de cada uno de ellos presentes en la molécula, pero no informa los enlaces que presentan. Representa todos los enlaces de la molécula. Indica cómo están los átomos unidos entre sí, cada guión (–) representa una unión entre átomos.

Ejemplo

C3H6

Enlace sencillo – Enlace doble = Semidesarrollada

Enlace triple Es una forma abreviada de la fórmula desarrollada o estructural, que indica únicamente las uniones entre los átomos de carbono o entre los átomos de carbono y grupos funcionales.

CH2=CH–CH2

Actividad: 2 Con base en la lectura y explicación por parte de tu profesor, responde los siguientes cuestionamientos.

¿Qué impacto sobre el desarrollo y bienestar de la humanidad hasta la actualidad, tuvo el hecho de rectificar la teoría del Vitalismo durante el siglo XIX? __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ Explica la importancia de la teoría estructural para la Química Orgánica: __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________

BLOQUE 4

139

Actividad: 2 (continuación) ¿Cuál es la fórmula molecular de los siguientes compuestos? Anótala sobre la línea correspondiente. CH3−CH2−CH2−CH2−CHO_________________

__________________________

_______________________________ Completa el siguiente cuadro, escribiendo las fórmulas que faltan en cada caso. Fórmula molecular

F. semidesarrollada

F. desarrollada

CH3−CH2−NH−CH3

C5H12

140

VALORA LA IMPORTANCIA DE LOS COMPUESTOS DEL CARBONO EN SU ENTORNO

Evaluación Actividad: 2

Producto: Cuestionario.

Puntaje:

Conceptual Identifica las diferentes fórmulas estructurales.

Saberes Procedimental Desarrolla las distintas fórmulas estructurales.

Actitudinal Resuelve su trabajo escolar de forma ordenada.

C

MC

Autoevaluación

NC

Calificación otorgada por el docente

Configuración electrónica y estructura de Lewis del átomo de Carbono. El átomo de carbono es el elemento central para todos los compuestos orgánicos, se localiza en el grupo IV A (14), tiene un número atómico Z=6, y una masa atómica A = 12, por lo tanto en el núcleo tiene 6 protones + 6 neutrones y alrededor del núcleo tiene 6 electrones distribuidos en niveles, subniveles y orbitales de energía cuantizada: Dos de ellos ocupan el orbital 1s, otros dos ocupan el orbital 2s y los dos restantes ocupan los orbitales del 2p. Su configuración en su estado basal se representa como: 2

2

2

1s 2s 2p

Sin embargo, esta configuración también suele representarse:

Estado basal o fundamental: Es cuando el átomo se encuentra aislado de toda excitación magnética o energética, es decir, sin el efecto de algún tipo de interacción. Es el estado mínimo disponible de energía dentro de un átomo.

1s2 2s2 2px1 2py1 2pz0

Según esta distribución electrónica el átomo de carbono tendría dos electrones desapareados en su nivel de valencia (en orbitales p) y los emplearía para formar enlaces covalentes con otros átomos, es decir tendría valencia de dos. Si el carbono mantuviera esta configuración se podrían formar sólo compuestos divalentes, ya que los únicos electrones que participarían en el enlace serían los 1 1 localizados en 2px y 2py .

La configuración electrónica del carbono, en estado basal, sugiere que el compuesto más simple, formado de carbono e hidrógeno es el CH 2 y que este tiene forma angular, sin embargo, un compuesto con este arreglo estructural no existe, en su lugar existe un compuesto estable más sencillo y es el CH 4 llamado metano. La explicación comúnmente dada para la formación del CH4 en vez del CH2 es que de esta manera, el carbono alcanza un octeto de electrones, en vez de solamente seis disponibles en el CH2. Para explicar la formación de los cuatro enlaces covalentes en los compuestos orgánicos, es necesario incluir dos nuevos conceptos: a) La promoción o salto cuántico de electrones a orbitales vacios. (Estado excitado) b) La hibridación de orbitales (mezcla de orbitales puros)

BLOQUE 4

141

En el caso del carbono elemental, cuya configuración es 1s22s22p2, dos de los cuatro electrones del segundo nivel energético (nivel de valencia) ocupan un orbital s (2s2); están apareados y no pueden usarse para formar uniones a menos que de algún modo logren separarse. Con esta configuración no le es posible formar cuatro enlaces. Una manera de lograrlo es, adoptando la configuración de mayor energía (estado excitado). Se dice que un átomo se excita cuando recibe energía externa. En este caso, el carbono recibe energía externa, la cual es utilizada por los electrones externos para promoverse de un subnivel a otro, de mayor energía. 1s2 2s2 2px1 2py1 2pz0 (estado basal) 1s2 2s1 2px1 2py1 2pz1 (estado excitado)

1s2 2s1 2px1 2py1 2pz1 ↑↓

↑

↑

↑

↑

Esta configuración explica la tetravalencia del carbono:

H  H +  C  H  H

H   H CH H

CH4

Sin embargo, el carbono no utiliza estos orbitales para formar los cuatro enlaces, ya que si los utilizara tendríamos una molécula con cierta geometría. Las evidencias experimentales muestran que el carbono cuando se une con cuatro átomos del mismo elemento, sus enlaces son de la misma energía y se dirigen de manera equidistante hacia los vértices de un tetraedro. Para explicar lo anterior, los químicos teóricos han propuesto que los orbitales atómicos del carbono presentan el fenómeno de hibridación, que consiste en la mezcla o hibridación del orbital 2s con los orbitales 2p con carácter de orbitales puros para originar nuevos orbitales con carácter de híbridos idénticos, llamados orbitales híbridos sp3, sp2 o sp, según el tipo de hibridación.

142

VALORA LA IMPORTANCIA DE LOS COMPUESTOS DEL CARBONO EN SU ENTORNO

Un ejemplo cotidiano para aclarar este fenómeno: si se mezclan una porción de pintura roja con una porción de pintura blanca, integrando totalmente la mezcla se obtiene un color nuevo que es el color rosa, el cual no es igual a ninguno de los originales pero idéntico en toda la mezcla, por supuesto que la cantidad obtenida es igual a la utilizada en la mezcla, lo mismo sucede si en lugar de pintura se mezclan orbitales puros s y orbitales puros p, de lo cual se originan orbitales híbridos sp. Hibridación sp3 o tetraédrica. Se dice que se produce una hibridación sp3 en el átomo de carbono, cuando los orbitales 2s y 2p (uno s y tres p) se mezclan formando cuatro orbitales híbridos iguales llamados orbitales sp3.

Hibridación. Combinación de orbitales atómicos para formar nuevos orbitales con diferentes formas y orientaciones. El carbono presenta tres tipos de hibridación sp3, sp2 y sp, correspondientes respectivamente a los enlaces sencillos, dobles y triples que realiza este átomo.

La configuración electrónica desarrollada para el carbono es: ↑↓ 2

1s

↑↓ 2

2s

↑

vacío

↑

2px

1

2py

1

2pz0

Estado basal

El primer paso en la hibridación, es la promoción o traslado de un electrón con energía y comportamiento del orbital 2s al orbital 2p: ↑↓ 1s

2

↑ 2s

↑ 1

↑ 1

2px

2py

↑ 1

2pz1

Estado excitado

Después de la promoción del electrón con una forma de energía (orbital s) a un lugar de otra forma de energía (orbital p), es entonces necesario que suceda un reacomodo de esas energías por lo que se da la mezcla de orbitales puros, reacomodando y formándose cuatro orbitales híbridos sp3, todos iguales y cada uno con un electrón. Por lo que resulta una forma de estado excitado del carbono con hibridación sp3 ↑↓

↑

↑

↑

↑

1s2

2(sp3)1

2(sp3)1

2(sp3)1

2(sp3)1

Estado híbrido sp3

Estos orbítales son idénticos entre sí, pero diferentes de los originales, ya que tienen características energéticas de los orbítales “s” y “p” combinadas. Con este tipo de hibridación se forman cuatro enlaces sencillos. Los orbitales híbridos tendrán la misma forma y la misma energía, por ello se dice, que son equivalentes. Presentan un arreglo geométrico tetraédrico y sus ángulos de enlace de 109.5o.

Enlace sigma: Orbital molecular formado por superposición frontal de orbitales atómicos.

BLOQUE 4

143

Hibridación sp3. La hibridación sp3 en el átomo de carbono, es característica cuando los carbonos forman el enlace sencillo (C–C). En cada caso, los enlaces formados por el átomo de carbono son enlaces sencillos (enlaces tipo sigma, s);ya que por el tipo de ángulo 109.5º no es posible otro tipo de traslape, por ello los enlaces C–C se forman por el traslape de frente de los orbitales sp3-sp3 y los enlaces C–H por el traslape de frente de los orbitales sp3–s. Se puede concluir que siempre que el átomo de carbono se una a cuatro átomos iguales o diferentes, presentará hibridación sp3. ¿Cómo se comparten los pares de electrones para formar enlaces covalentes? Esto se consigue por el traslape de orbitales atómicos incompletos (cada uno con un electrón) para formar un orbital molecular que se compone de dos electrones. Cuando dos átomos se aproximan uno a otro hasta que el orbital de uno de ellos comparte una cierta amplitud con el orbital del otro, se dice que ambos orbitales se solapan o se traslapan, formando así un nuevo orbital enlazante, llamado orbital molecular. Existen dos tipos de orbitales moleculares; enlaces sigma ( ) y enlace pi ( ). En un orbital molecular sigma la densidad electrónica se concentra simétricamente a lo largo de una línea imaginaria entre los dos núcleos de los átomos que se enlazan (solapamiento frontal). Dos electrones en un orbital molecular sigma forman un enlace sigma. El enlace covalente sencillo siempre es un enlace sigma.

Hibridación sp2 o trigonal. La hibridación sp2 es característica del enlace doble (C=C), ella nos permite explicar sus características químicas, su geometría trigonal y los ángulos de enlace de 120°. Esta hibridación es otra forma de cómo se presenta el estado excitado del carbono y es la mezcla un orbital s con dos orbitales p, por lo que se involucra en la mezcla a tres orbitales puros, quedando un orbital p puro sin mezclar o sin participar en la hibridación.

1s2 2s2 2px1 2py1 2pz0 (estado basal) 1s2 [2s1 2px1 2py1] 2pz1 (estado excitado) 1s2 2(sp2)1 2(sp2)1 2(sp2)1 2pz1 (estado híbrido) Los tres orbitales híbridos sp2 son usados por el átomo de carbono para formar tres enlaces s (sigma, sencillos) y el orbital p puro para formar el enlace pi ( ).El carbono puede formar tres orbitales híbridos sp2 equivalentes. El otro orbital p no forma orbitales híbridos y sus lóbulos quedan perpendiculares al plano de los orbitales híbridos sp2. En el orbital molecular pi, la densidad electrónica se concentra arriba y abajo de una línea imaginaria entre los dos núcleos que se enlazan (solapamiento lateral). Dos electrones en un orbital molecular pi forman un enlace pi. Un doble enlace casi siempre está constituido por un enlace sigma y un enlace pi; un triple enlace se forma por un enlace sigma más dos enlaces pi.

144

Enlace pi. Orbital molecular formado por la superposición de orbitales p paralelos en dos posiciones.

VALORA LA IMPORTANCIA DE LOS COMPUESTOS DEL CARBONO EN SU ENTORNO

Carbonos con hibridación sp2

Hibridación sp o lineal. La hibridación sp es característica del enlace triple (C C) permite explicar las características químicas, la geometría lineal y los ángulos de enlace de 180°, de los carbonos con triple enlace. Esta hibridación es otra forma de cómo se presenta el estado excitado del carbono en donde se mezcla un orbital s con un orbital p, quedando dos orbitales p puros sin mezclar o sin participar en la hibridación.

1s2 2s2 2px1 2py1 2pz0 (estado basal) 1s2 [2s1 2px1] 2py1 2pz1 (estado excitado) 1s2 2(sp)1 2(sp)1 2py1 2pz1 (estado híbrido) Los dos orbitales híbridos sp son usados por el átomo de carbono para formar dos enlaces sigma y los orbitales p puros para formar dos enlaces pi. Cuando el átomo de carbono forma un triple enlace carbono-carbono, carbononitrógeno o dos enlaces dobles acumulados, utiliza una hibridación sp.

Carbonos con hibridación sp

BLOQUE 4

145

El tipo de hibridación determina la geometría molecular la cual se resume en el siguiente cuadro. Tipo de hibridación

Geometría molecular

Angulo de enlace

Tipo de enlace

sp3

Tetraédrica

109.5°

Sencillo

sp2

Trigonal plana

120°

Doble

sp

Lineal

180°

Triple

Representación

La forma tridimensional y el tamaño de las moléculas están determinados por sus ángulos de enlace y por las longitudes de enlace. Actividad: 3 Resuelve los siguientes cuestionamientos. Explica por qué el carbono puede formar más compuestos que cualquier otro elemento: _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ ¿Cuáles son los estados de hibridación de los átomos de C, N

y H en la siguiente molécula?

1. ______________,

2. _______________,

3._______________,

4._________________

5. _____________,

6. _______________,

7. _______________,

8._________________

9. _____________, _______

10.______________,

11. ______________,

12. _______________

146

VALORA LA IMPORTANCIA DE LOS COMPUESTOS DEL CARBONO EN SU ENTORNO

Actividad: 3 (continuación) Dibuja un diagrama que muestre la formación de los enlaces sigma y los enlaces pi del siguiente compuesto.

H2C=C=CH2

Cuál es la hibridación de los átomos de carbono señalados en la siguiente molécula. Identifica la geometría molecular en cada caso.

C

Hibridación

Geometría

1 2 3

Evaluación Actividad: 3

Producto: Cuestionario.

Puntaje:

Conceptual Comprende la configuración electrónica del carbono y su geometría molecular.

Saberes Procedimental Aplica la hibridación para desarrollar estructuras de compuestos del carbono.

Actitudinal Con firmeza aplica la estructura del carbono.

C Autoevaluación

MC

NC

Calificación otorgada por el docente

Tipos de cadena: Una de las características que tienen los átomos de carbono, es su capacidad de combinarse entre sí formando largas cadenas. Se conocen miles de estas cadenas, las cuales adquieren diferentes arreglos tridimensionales en el espacio y, dependiendo de éstos, presentarán diferentes propiedades físicas y químicas. Las cadenas de carbono son la secuencia de átomos de carbono, unidos entre sí, que forman el esqueleto o cadena principal de la molécula orgánica. Hay diferentes tipos de cadena, según sea su forma: abierta o acíclica, cerrada o cíclica, lineal o ramificada, saturada o insaturada. Abierta o acíclica. Los átomos de carbono extremos (primero y último) no están unidos entre sí. No forman anillos o ciclos. Las cadenas abiertas a su vez se clasifican en lineales, ramificadas o arborescentes, saturadas o insaturadas.

BLOQUE 4

147

Lineal

Ramificada o Arborescente

Saturada Insaturada

Cadenas abiertas Son cadenas lineales aquéllas donde los átomos de carbono se unen en forma continua. En ella los átomos de carbono pueden escribirse en línea recta, retorcida o quebrada para ahorrar espacio. No llevan ningún tipo de sustitución. Se forman cuando un carbón o grupo de átomos de carbono se unen a un carbono no terminal de la cadena principal. Cadena carbonada que únicamente contiene enlaces sencillos. Cadena carbonada que contiene enlaces dobles o triples.

CH3 – CH2 –CH2–CH3 CH3 – CH = CH–CH3 CH3 – C CH–CH3

Cerrada o cíclica. Cadena en la que se unen los carbonos de los extremos. A partir de una cadena lineal el carbono primero y el último se unen. Existen varios tipos: homocíclica o isocíclica, heterocíclica. Cadenas cerradas o cíclicas

148

Lineal

los átomos de carbono se unen en forma continua, pero ya no hay carbonos terminales.

Ramificada

Se forman cuando un carbón o grupo de átomos de carbono se unen a un carbono de la cadena cerrada.

Isocíclica (homocíclica)

Contiene anillos o ciclos formados exclusivamente por carbono.

VALORA LA IMPORTANCIA DE LOS COMPUESTOS DEL CARBONO EN SU ENTORNO

Cadenas cerradas o cíclicas

Heterocíclica

Algún átomo del anillo o ciclo es sustituido por otro átomo, por ejemplo N, O, S etc.

Monocíclica

Solo tiene un ciclo o anillo.

Policíclica

Presenta varios ciclos unidos.

A los carbonos que forman la estructura de las moléculas (cadenas) se les llama: Carbonos primarios, a los que están unidos a un sólo átomo de carbono (no importa que el enlace sea simple o no). Carbonos secundarios, terciarios o cuaternarios, a los que están unidos respectivamente a dos, tres o cuatro átomos de carbono diferentes.

Isomería La isomería es un fenómeno común en la química del carbono y una de las razones que hacen aumentar el número de compuestos orgánicos en la naturaleza. Se denominan isómeros a los compuestos que poseen una misma fórmula molecular, pero los átomos están ordenados de distinto modo en la molécula y presentan diferentes propiedades físicas y químicas. Según la diferente disposición espacial de los átomos se clasifican en varios tipos de isomería. Se catalogan en isómeros estructurales y estereoisómeros. Los isómeros estructurales difieren en la forma de unión de sus átomos y se clasifican en isómeros de cadena, posición y función.

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149

Los isómeros de cadena se diferencian en las ramificaciones (o estructura) de la cadena hidrocarbonada. Los siguientes compuestos son isómeros de cadena, su fórmula molecular es C5H12, pero con diferente estructura semidesarrollada y distinto comportamiento.

La isomería de posición resulta cuando el grupo funcional o sustituyente, que esta presente en la molécula, va variando de posición en la cadena del compuesto. En química orgánica, un sustituyente es un átomo o grupo de átomos que ocupan el lugar de un átomo o átomos de hidrógeno de la cadena principal de un hidrocarburo o de un grupo funcional en particular. Se denomina grupo funcional al átomo o grupo de átomos que caracterizan una clase de compuestos orgánicos y determinan sus propiedades. Generalmente los grupos funcionales están constituidos por átomos distintos de carbono e hidrógeno, pero los dobles o triples enlaces también se consideran grupos funcionales. Por ejemplo el átomo de cloro (Cl) presente en la estructura del pentano C 5H11Cl puede producir isómeros de posición: De igual forma el grupo funcional CO (cetona) aparece en diferente posición en las siguientes estructuras, cuya formula molecular es C5H10O:

Los isómeros de función se distinguen en que tienen un grupo funcional diferente, por lo tanto pertenecen a una familia de compuestos distinta.

Por ejemplo, la fórmula molecular C3H8O presenta los isómeros funcionales de tipo alcohol y de tipo éter.

En los estereoisómeros los átomos están conectados de igual manera en ambas moléculas. La diferencia radica en la distinta orientación espacial de los átomos o grupos de átomos. Hay dos tipos de estereoisómeros: los isómeros geométricos y los isómeros ópticos.

150

VALORA LA IMPORTANCIA DE LOS COMPUESTOS DEL CARBONO EN SU ENTORNO

La isomería cis-trans o geométrica es debida a la rotación restringida en torno a un enlace carbono-carbono. Esta restricción puede ser debida a la presencia de dobles enlaces o ciclos. Así, el 2-buteno puede existir en forma de dos isómeros, llamados cis y trans. El isómero que tiene los hidrógenos al mismo lado se llama cis, y el que los tiene a lados opuestos se llama trans.

Los isómeros ópticos se diferencian en que desvían el plano de la luz polarizada. Uno hacia la derecha (isómero dextrógiro) y otro a la izquierda (isómero levógiro). La palabra quiral fue introducida por William Thomson (Lord Kelvin) en 1894 para designar objetos que no son superponibles con su imagen especular. La quiralidad está a menudo asociada a la presencia de carbonos asimétricos. Un carbono asimétrico es aquel que se une a cuatro sustituyentes diferentes. Aplicado a la química orgánica, podemos decir que una molécula es quiral cuando ella y su imagen en un espejo no son superponibles. Un ejemplo de carbono asimétrico lo tenemos en la molécula de Bromocloroyodometano. El carbono está unido a bromo, cloro, yodo e hidrógeno, cuatro sustituyentes diferentes que lo convierten en quiral o asimétrico. La molécula y su imagen en un espejo son diferentes, ningún giro permite superponerlas.

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151

Cierre Actividad: 4 Completa el siguiente cuadro identificando el tipo de fórmula, escribe un isómero, identifica el tipo de isómero y tipo de cadena a partir del ejemplo proporcionado. Ejemplo

CH3–CH2–OH

Tipo de fórmula

Isómero

CH3–O –CH3

Condensada

(semidesarrollada)

Tipo de isómero I. función

Tipo de cadena Abierta

CH3 –CH2 –CH2 – CH3

Desarrolla dos isómeros

C5H12

Evaluación Actividad: 4

Producto: Tabla.

Evaluación

Puntaje:

Saberes Conceptual Producto: Cuestionario Procedimental Actitudinal Puntaje: Identifica los tipos de: fórmulas, Clasifica los tipos de: fórmulas, Elabora su trabajo escolar de Saberes cadenas e isómeros. isómeros y cadenas. forma ordenada y precisa. Realiza la formulación de Conceptual Procedimental Actitudinal isómeros. Clasifica los tipos de: C MC NC Identifica los tipos de: fórmulas, isómeros y Elabora suotorgada trabajopor escolar Calificación el Autoevaluación docente fórmulas, cadenas e cadenas. de forma ordenada y

Actividad: 4.1.4.

isómeros. Coevaluación

152

Realiza la formulación de precisa. isómeros. C MC NC Calificación otorgada por el docente

VALORA LA IMPORTANCIA DE LOS COMPUESTOS DEL CARBONO EN SU ENTORNO

Secuencia didáctica 2. Clasificación de los compuestos del carbono. Inicio Actividad: 1 Identifica y marca con una X las fórmulas correspondientes a compuestos orgánicos; del siguiente listado.

Compuesto

CH3-COOH

X

Compuesto

CO2

X

______

CaCO3

H3PO4

C8H16

CH3 – NH2

MgCl2

¿Qué diferencias existen entre los compuestos orgánicos e inorgánicos? ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ ¿Qué son los hidrocarburos? ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________

BLOQUE 4

153

Actividad: 1 (continuación) Para disminuir el problema de los residuos sólidos o urbanos se recomienda separar la basura en desechos orgánicos e inorgánicos y reciclables. Enlista ejemplos de cada tipo de residuos, anótalos en la siguiente tabla: Residuos orgánicos

Residuos inorgánicos

Reciclables

Evaluación Actividad: 1

Producto: Cuestionario.

Puntaje:

Conceptual Distingue entre compuestos orgánicos e inorgánicos.

Saberes Procedimental Clasifica sustancias en orgánicas e inorgánicas.

Actitudinal Se muestra firme en la clasificación de los materiales.

C Autoevaluación

MC

NC

Calificación otorgada por el docente

Desarrollo



Hidrocarburos. Todos los compuestos orgánicos se derivan de un grupo de compuestos conocidos como hidrocarburos debido a que están formados sólo por hidrógeno y carbono unidos por enlaces covalentes. Con base en su estructura, los hidrocarburos se dividen en dos clases principales: alifáticos y aromáticos. A su vez los hidrocarburos alifáticos o de cadena abierta se dividen en saturados (alcanos o parafinas) que contienen solo enlaces sencillos e insaturados (alquenos y alquinos) compuestos con presencia de doble o triples enlace entre carbonos.

154

VALORA LA IMPORTANCIA DE LOS COMPUESTOS DEL CARBONO EN SU ENTORNO

Estos compuestos son combustibles debido a que cuando se unen con el oxígeno del aire desprenden gran cantidad de energía y producen una llama más o menos brillante, además de que forman bióxido de carbono y agua. A temperatura ambiente se presentan en forma de gases, líquidos o sólidos. La diversidad de hidrocarburos es muy amplia y de igual forma lo son sus propiedades físicas y químicas; por esta razón sus aplicaciones son múltiples: se los emplea directamente como combustibles, como solventes, o como materia prima para la síntesis de productos medicinales, agroquímicos, plásticos, drogas industriales, etc. Las fuentes principales de los hidrocarburos son el petróleo, el gas natural y el carbón. En la actualidad los animales y vegetales proporcionan innumerables compuestos del carbono; por ejemplo: lana, almidón, ácidos biliares, hormonas, vitaminas, pigmentos, medicinas, entre otros. El hombre obtiene hidrocarburos y acetileno por medio de la síntesis a partir del carbón mineral.

Saturado Una molécula saturada tiene sólo enlaces sencillos; cada átomo tiene el número máximo posible de átomos unidos a él. No saturado (insaturado) Una molécula no saturada tiene al menos un doble o triple enlace.

A partir de comienzos de este siglo, con el desarrollo de la extracción de petróleo y el afianzamiento de la tecnología química, surge la Petroquímica, industria de gran importancia que con la producción de hidrocarburos como uno de sus múltiples productos, constituye uno de los pilares de la tecnología actual. En la sociedad los modelos de producción de bienes y servicios están directa o indirectamente basados en la industria petroquímica, es decir, en el consumo de hidrocarburos o de derivados del petróleo. La energía que hoy se emplea mundialmente proviene, en su mayor parte, de la combustión de hidrocarburos; los medios de transporte (terrestres, aéreos y marítimos) los emplean como combustibles, y gran parte de la variada gama de productos plásticos se sintetizan a partir de ellos. La extrema dependencia alcanzada hacia los hidrocarburos por el mundo actual, y su elevado consumo, se han acompañado problemas

BLOQUE 4

155

ambientales expresados en términos de contaminación atmosférica por sus productos de combustión, contaminación de aguas, derrames de petróleo, producción y acumulación de residuos no biodegradables (plásticos). Por otra parte, siendo el petróleo, el gas natural y el carbón un recurso natural no renovable, su consumo debería racionalizarse y muchas de sus aplicaciones, sobre todo la energética, sustituirse paulatinamente por fuentes ambientalmente más limpias y duraderas.

Alcanos. Conocidos también como parafinas (poca afinidad) o hidrocarburos saturados, son hidrocarburos de cadena lineal o ramificada unidos sólo mediante enlaces covalentes simples entre los átomos de carbono. El metano, CH4, es el primer miembro de la serie de los alcanos. Los alcanos cumplen con la fórmula general: CnH2n + 2, donde, “n” es el número de átomos de carbono en la molécula, y 2n + 2 corresponde al número de hidrógenos. Ejemplos: Alcano

Fórmula molecular

CH3– CH3 CH3– CH2–CH3

C2H6 C3H8

Alcano:

¿Cómo se pueden nombrar los alcanos del ejemplo anterior? El nombre del alcano dependerá del tipo de cadena que forme, ya sea lineal o ramificada. Anteriormente, los químicos denominaban a los compuestos haciendo referencia a su origen. Esto dio lugar a una nomenclatura común o trivial que en muchos casos aún se emplea; sin embargo, a medida que fue aumentando el número de compuestos orgánicos, fue necesario establecer un nuevo sistema de nomenclatura, la cual indica la estructura del compuesto, empleándose para esto las reglas establecidas por la UIQPA (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada) o IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry).

Compuesto formado sólo por carbono e hidrógeno (hidrocarburo) unidos por enlace sencillo Alqueno: Hidrocarburo con al menos un doble enlace carbono- carbono. Alquino: Hidrocarburo con al menos un triple enlace carbono-carbono.

Nomenclatura Para nombrar estos compuestos se aplican las reglas que dicta la U.I.Q.P.A., que dice que los primeros cuatro hidrocarburos tienen nombres triviales:

156

Fórmula condensada

Cadena

Nombre

CH4

CH4

Metano

C2H6

CH3-CH3

Etano

C3H8

CH3-CH2-CH3

Propano

C4H10

CH3-CH2-CH2-CH3

Butano

VALORA LA IMPORTANCIA DE LOS COMPUESTOS DEL CARBONO EN SU ENTORNO

Del alcano de cinco átomos de carbono en adelante se utilizan prefijos numerales de acuerdo al número de átomos de carbono y la terminación ANO, como por ejemplo: Fórmula condensada C5 H12

Cadena 1 2 3 4 5 6 CH3-CH2-CH2-CH2-CH3

C6 H14

CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3

C7 H16

CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2 –CH3

7

Número de Átomos de Carbono

Pentano

5

Hexano

6

Heptano

7

Octano

8

8

CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2 -CH2 –CH3

C8H18

Nombre

Otros nombres de la serie de los Alcanos son los siguientes: No. de carbonos

Nombre

No. de carbonos

Nombre

9

Nonano

21

Heneicosano

10

Decano

22

Docosano

11

Undecano

30

Triacontano

12

Dodecano

31

Hentriacontano

13

Tridecano

32

Dotriacontano

14

Tetradecano

40

Tetracontano

15

Pentadecano

41

Hentetracontano

16

Hexadecano

50

Pentacontano

17

Heptadecano

60

Hexacontano

18

Octadecano

70

Heptacontano

19

Nonadecano

80

Octacontano

20

Eicosano

90

Nonacontano

¿Y los alcanos ramificados cómo se nombran? Para poder comprender la nomenclatura de estos alcanos es necesario conocer el concepto de radical o grupo alquilo. De los alcanos se derivan los radicales alquilo, que son agrupaciones de átomos procedentes de la eliminación de un átomo de H de un alcano. Su nomenclatura se da cambiando la terminación ano por il o ilo, cuando forme parte de un hidrocarburo. Observa los ejemplos que aparecen en la siguiente tabla:

BLOQUE 4

157

La cadena recta no siempre será la más larga

Alcano CH4 Metano CH3–CH3 Etano CH3–CH2–CH3 Propano

Grupo alquilo CH3– CH3–CH2– CH3–CH2–CH2– CH3–CH–CH3 CH3–CH2–CH2–CH2–

CH3–(CH2)2–CH3 Butano

CH3–CH–CH3

CH3–CH–CH2–CH3 CH3–CH–CH2–

Nombre UIQPA

Nombre común

Metil

Metilo

Etil

Etilo

Propil Isopropil

Propilo Iso–propilo

Butil

Butilo

Secbutil

Secbutilo

Isobutil

Isobutilo

Terbutil

Terbutilo

CH3 CH3

CH3 Isobutano

CH3–C–CH3

*Los guiones que se presentan en negritas del grupo alquilo representan un electrón capaz de ser compartido para formar un enlace. Reglas para nombrar alcanos ramificados. 1.

Se selecciona la cadena más larga de átomos de carbono. La base del nombre, es la cadena continua más larga de átomos de carbono.

2.

La numeración se inicia por el extremo más cercano a una ramificación. En caso de encontrar dos ramificaciones a la misma distancia, se empieza a numerar por el extremo más cercano a la ramificación de menor orden alfabético. Si se encuentran dos ramificaciones del mismo nombre a la misma distancia de cada uno de los extremos, se busca una tercera ramificación y se numera la cadena por el extremo más cercano a ella.

3. Si se encuentran dos o más cadenas con el mismo número de átomos de carbono, se selecciona la que deje fuera los radicales alquilo más sencillos. En los isómeros se toma los lineales como más simples.

4.

Cuando en un compuesto hay dos o más ramificaciones iguales,no se repite el nombre, se le añade un prefijo numeral. Los prefijos numerales son:

Número 2 3 4 5 6 7

158

Prefijo di ó bi tri tetra penta hexa hepta

VALORA LA IMPORTANCIA DE LOS COMPUESTOS DEL CARBONO EN SU ENTORNO

5.

Si los radicales son diferentes, se escriben las ramificaciones en orden de menor a mayor complejidad y el nombre del alcano que corresponda a la cadena principal, como una sola palabra junto con el último radical. Al ordenar alfabéticamente, los prefijos numerales y los prefijos , sec- y ter- no se toman en cuenta.

6.

Los números y las palabras se separan mediante un guión, y los números entre si, se separan por comas y las palabras no se separan entre sí.

La comprensión y el uso adecuado de las reglas señaladas facilitan la escritura de nombres y fórmulas de compuestos orgánicos. Ejemplo:

Se identifica la cadena de carbonos continua más larga y se numera por el extremo más cercano a un radical. (Señalar la cadena mayor y los radicales evita cometer errores) La cadena continua más larga tiene 7 carbonos y se empezó la numeración por el extremo derecho porque es el más cercano a un radical. . Se identifican los radicales y el número del carbono al que están unidos, se nombran los radicales en orden de complejidad indicando el número de carbono.

El nombre correspondiente es: 2-metil-4-etil heptano El siguiente ejemplo recibe el nombre de: 3-metil-5-isopropil-nonano

Si aparecen radicales iguales, se utiliza un prefijo que señale el número de veces que se repite el radical. Debe aparecer un número por cada radical, de aparecer en el mismo carbono el número se repite. Observa el siguiente ejemplo: 2, 2-dimetil propano

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159

Actividad: 2 Escribe el nombre o la fórmula de cada compuesto, según sea el caso. Utilizando las reglas de nomenclatura UIPAC. Fórmula

Nombre

3,4,6-trimetil heptano 3-Metil-4-etilhexano

5-metil-3-etil-4-isopropil heptano

Evaluación Actividad: 2 Conceptual Identifica las reglas de nomenclatura de compuestos orgánicos.

Producto: Ejercicios de nomenclatura de alcanos. Saberes Procedimental Realiza ejercicios de nomenclatura de los compuestos del carbono. C

Autoevaluación

MC

NC

Puntaje: Actitudinal Resuelve de forma ordenada y correcta la fórmula o nomenclatura de hidrocarburos. Calificación otorgada por el docente

¿Por qué el gas butano es utilizado como gas de cocina y por qué el pentano no se puede utilizar para tal fin? ¿Por qué si la gasolina es líquida y la parafina es sólida pertenecen a la misma familia de alcanos?

160

VALORA LA IMPORTANCIA DE LOS COMPUESTOS DEL CARBONO EN SU ENTORNO

Propiedades físicas de los alcanos. Los alcanos pueden existir en los tres estados de agregación: gaseoso, líquido y sólido, esto depende del número de átomos de carbono en la cadena hidrocarbonada. Los cuatro primeros alcanos son gaseosos, de 5 C a 17 C son líquidos y de 18 C en adelante son sólidos. De la misma manera al aumentar el tamaño de la molécula se incrementa el punto de fusión, ebullición, así como la densidad. Para los isómeros, el que tenga la cadena más ramificada, tendrá un punto de ebullición menor. La mayoría de los alcanos son insolubles en agua debido a su baja polaridad, y además son menos densos que el agua, son buenos disolventes de alcanos el benceno, el tetracloruro de carbono, el cloroformo y otros alcanos. Nombre

BLOQUE 4

Formula

P. F ºC

P. E. ºC

Densidad

161

Como se puede observar e interpretar los datos de la tabla anterior y de la gráfica, los alcanos aumentan sus temperaturas de fundición o fusión y de ebullición a medida que aumenta el número de carbonos en la molécula, además podemos observar que todos son menos densos que el agua. (la densidad del agua es de 1 gr/ml) ¿Sabías qué…? El hielo que arde. ¿Hielo que arde? Sí. Existe y se Sin embargo, la extracción de la energía almacenada en conoce como hidrato de metano y el hidrato de metano representa un gran reto a al hay suficiente como para cubrir los ingeniería. Se cree que el hidrato de metano actúa como requerimientos energéticos de una clase de cemento que mantiene juntos los sedimentos Estados Unidos durante años. Para del fondo del océano. Modificar los depósitos de hidrato los científicos tienen que idear de metano podría ocasionar deslaves subterráneos, lo que cómo extraerlo sin causar un causaría un derrame de metano hacia la atmósfera. Este desastre ambiental. acontecimiento podría ser de graves consecuencias para el medio ambiente ya que el metano es un gas Las bacterias del sedimento de los responsable del efecto invernadero. De hecho, los océanos consumen materiales científicos creen que la liberación repentina de hidrato de orgánicos y generan metano metano pudo haber acelerado el final de la era glacial gaseoso. En condiciones de alta hace alrededor de 10,000 años. A medida que se fundió el presión y baja temperatura, el metano forma el hidrato de hielo del casquete polar aumentó el nivel de agua de los metano, que está formado por moléculas simples de gas natural océanos más de 90 metros y sumergió las regiones encerradas en jaulas cristalinas formadas por moléculas de árticas, ricas en depósitos de hidratos. El agua de los agua congelada (hielo). O sea es una mezcla de metano y de océanos, más o menos caliente, deber haber fundido los hidrato de gas, que viene siendo gas encerrado en la estructura hidratos, con que pude haber liberado grandes cantidades cristalina del hielo. Un banco de hidratos de metano tiene la de metano, lo que condujo al calentamiento global. apariencia de un cubo de hielo de color gris, pero si se le (Raymond Chang Química Best Seller internacional sexta edición) acerca un cerillo encendido, empezará a arder. Las compañías petroleras tienen conocimiento del hidrato de metano desde la década de 1930, cuando empezaron a utilizar tuberías de alta presión para trasportar el gas natural en lugares de clima frío. Se calcula que la reserva total de hidrato de metano en los océanos es de 1013 toneladas en contenido de carbono, casi el doble de la cantidad de carbono en toda la hulla, el petróleo y el gas natural sobre la tierra.

Alquenos. Los alquenos son compuestos insaturados que contienen en su estructura cuando menos un doble enlace carbonocarbono. Fórmula general: CnH2n. Por lo tanto, los alquenos sin sustituyentes tienen el doble de hidrógenos que carbonos. La terminación sistémica de los alquenos es ENO. El más sencillo de los alquenos es el eteno, conocido más ampliamente como etileno, su nombre común. La mayor parte de los alquenos se obtienen del petróleo crudo y mediante la deshidrogenación de los alcanos.

162

VALORA LA IMPORTANCIA DE LOS COMPUESTOS DEL CARBONO EN SU ENTORNO

Nomenclatura de alquenos. Para nombrar a los alquenos se siguen las mismas reglas de nomenclatura de los alcanos, con ciertas modificaciones. 

Se toma como base el nombre de los alcanos lineales, cambiándose la terminación ”ano” por “eno”, por ejemplo: propano–propeno, pentano– penteno.



Los primeros dos alquenos, que son los más comunes, reciben nombres especiales como son: CH2 CH2 etileno o eteno CH2 CH CH3 propileno o propeno



Para nombrar alquenos lineales, se selecciona la cadena más larga de átomos de carbonos que contenga la doble ligadura y se enumera por el extremo donde esté más próximo el doble enlace. Por ejemplo: CH3 CH2 CH2 CH

CH2

¿Sabías qué…? Los aceites están formados por moléculas que contienen en sus cadenas dobles enlaces. Cuando estos dobles enlaces se oxidan se produce la ruptura, dando lugar a ácidos y aldehídos volátiles; responsables de los cambios de sabor y de aroma conocido como rancio.

* No siempre la cadena recta será la más larga.



La posición del doble enlace se debe de indicar con el número menor del átomo de carbono que forme el doble enlace. Este número se coloca antes del nombre base, seguido de un guión, cambiando la terminación “ano” del alcano por “eno”, el nombre del ejemplo anterior será: CH3 CH2 CH2 CH CH2 1-penteno



Si hay dos o más dobles enlaces, se anteponen a la terminación “eno” los prefijos “di”, “tri”, etcétera, precedidas por los números que indican la posición de esos dobles enlaces. Ejemplos:

CH2 = CH – CH = CH – CH3 1, 3 – pentadieno CH3 = CH = CH – CH = CH2

1, 2, 4-pentatrieno

Al escribir el nombre del alqueno ramificado se indica primero la posición y nombre de los grupos alquilo como sucede en alcanos, después la posición del o los dobles enlaces y finalmente el nombre del compuesto.

Si existen ramificaciones y dobles enlaces en la cadena, ¿por cuál extremo inicia la numeración? Es importante destacar que el grupo funcional es el doble enlace (C=C) y por lo tanto se le da preferencia al enumerarlo en la cadena, independientemente de la posición de las ramificaciones o grupos alquilo. CH3 – CH = CH – CH – CH– CH2 – CH3 | CH2 – CH3

5-metil-2-penteno

La doble ligadura debe quedar incluida en la cadena principal.

BLOQUE 4

163

Propiedades y usos. Los primeros tres compuestos, eteno (etileno), propeno y buteno, son gaseosos a temperatura ambiente; los siguientes son líquidos hasta los que tienen más de 16 carbonos que son sólidos. Son relativamente poco solubles en agua, pero solubles en ácido sulfúrico concentrado y en solventes no polares. Su densidad, punto de fusión y de ebullición se elevan conforme aumenta el peso molecular. El uso más importante de los alquenos es como materia prima para la elaboración de plásticos. A diferencia de los alcanos son muy reactivos. El enlace es más débil que la mayoría de las uniones átomos de carbono y átomos de otros elementos.

entre

Alquenos de importancia. El etileno o eteno es un gas incoloro, insípido y de olor ligero cuya fórmula es CH2=CH2. Se usan grandes cantidades de etileno para la obtención del polietileno, que es un polímero. (sustancia formada por miles de moléculas más pequeñas que se conocen como monómeros). Por ejemplo del polietileno el monómero es el etileno. El polietileno es un compuesto utilizado en la fabricación de envolturas, recipientes, fibras, moldes, etc... El etileno es utilizado en la maduración de frutos verdes como piñas y tomates, mangos, plátanos, etc. En la antigüedad se utilizó como anestésico (mezclado con oxígeno) y en la fabricación del gas mostaza (utilizado como gas de combate, arma química en la primera guerra mundial). El etileno se puede convertir fácilmente en etilenglicol el cual se utiliza como base para la fabricación de anticongelantes; así mismo, puede ser convertido en alcohol etílico y ser utilizado como disolvente de lacas y cosméticos, es la base de drogas y explosivos. El propeno, (nombre común propileno), se utiliza para elaborar polipropileno y otros plásticos, alcohol isopropílico (utilizado para fricciones) y otros productos químicos.

Minimizar el volumen y peso de los residuos es el primer paso para resolver el problema global de los mismos. Esto es aplicable a todas las materias primas: vidrio, papel, plástico, cartón y aluminio.

Alquinos. Los alquinos o acetilenos son hidrocarburos cuyas moléculas contienen al menos un triple enlace carbono-carbono, característica distintiva de su estructura. Se conocen como acetilenos porque toman el nombre del hidrocarburo más sencillo de serie: el acetileno, HC CH. Los alquinos que poseen una triple ligadura cumplen con la fórmula de carbono, por ejemplo:

164

CnH2n–2 donde n es igual al número de átomos

Alquino

Fórmula molecular

HC CH etino o acetileno

C2H2

HC C–CH3 propino

C3H4

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Nomenclatura de alquinos. Los alquinos se denominan de manera similar a los alquenos: la terminación sistemática de sus nombres es ino, que indica la presencia del triple enlace. Esta insaturación es la base del nombre del alquino que se localiza en la cadena más larga del hidrocarburo; su posición se señala con el número más bajo posible que, generalmente, va antes de la raíz del nombre. Por ejemplo:

Si la estructura del alquino cuenta con dos o tres triples ligaduras, se utilizarán las terminaciones “diino” o “triino”, respectivamente. Por ejemplo, el nombre de los siguientes compuestos será:

Para nombrar alquinos ramificados de nuevo se aplican las reglas de alcanos y alquenos ramificados, al identificar la cadena principal, esta debe incluir a la(s) triple ligadura (s) e iniciar la numeración por el extremo mas cercano al triple enlace. Por ejemplo:

8-metil-6-etil-3-nonino Los alquinos son compuestos de baja polaridad, por lo que sus propiedades físicas son muy semejantes a las de los alquenos. Son insolubles en agua, muy solubles en disolventes orgánicos de baja polaridad, como benceno, éter, cloroformo, alcanos líquidos, etc., son menos densos que el agua. Sus puntos de ebullición aumentan al aumentar el número de átomos de carbono. En el caso de isómeros, el más ramificado tiene el menor punto de ebullición. A temperatura ambiente, los tres primeros son gases, del alquino con cuatro átomos de carbono hasta el que contiene 15 son líquidos y en adelante son sólidos.

Aplicaciones de los alquinos El alquino más importante a nivel industrial es el etino, cuyo nombre común es acetileno, éste es un gas incoloro, de olor etéreo, muy flamable. Por su facilidad en arder con llama luminosa, se ha empleado en el alumbrado. Se utiliza en la soldadura oxiacetilénica, mediante la cual se logran temperaturas de hasta 2,800 o C; el etino también se emplea en la preparación de explosivos (los acetiluros, entre los cuales destacan el acetiluro de plata y el acetiluro de cobre); en la preparación de polímeros (por ejemplo, el PVC, muy utilizado en tuberías, drenajes, etcétera). Debido a su flamabilidad y a qué forma mezclas explosivas con el aire, el etino se envasa disuelto en acetona y se denomina Pres – o – lite.

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165

Hidrocarburos aromáticos. En los inicios de la química orgánica, la palabra aromático se empleaba para describir a sustancias de olor agradable (con fragancia) como el benzaldehído (de la cerezas, almendras y los duraznos), el tolueno y el benceno (destilado del alquitrán). En la actualidad para la química orgánica la palabra aromático significa todo un comportamiento químico conocido como aromaticidad, normalmente se emplea para referirse al benceno y los compuestos relacionados con su estructura, los cuales pertenecen al grupo de hidrocarburos ya que provienen de la hulla y el petróleo, básicamente. Con el nombre de compuestos aromáticos se conocen todos los compuestos derivados del benceno. El benceno (C6H6) es un compuesto cíclico de forma hexagonal, compuesto por 6 átomos de carbono y 6 de hidrógeno y tres dobles enlaces alternados. Cada vértice del hexágono, representa un átomo de carbono, al cual está unido un hidrógeno para así completar los cuatro enlaces del carbono. Se representa con fórmula desarrollada:

Otra forma simplificada de representar la estructura del benceno y los compuestos aromáticos es utilizando la siguiente figura, en la cual los vértices del hexágono representan los átomos de carbono y el círculo los dobles enlaces alternados con enlace sencillo. :

Los derivados del benceno se forman cuando uno o más de los hidrógenos del benceno son reemplazados por otro átomo o grupo de átomos. Muchos compuestos aromáticos son mejor conocidos por su nombre común que por el sistémico.

166

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Propiedades y usos de compuestos aromáticos El benceno es un líquido volátil, incoloro, inflamable, insoluble en agua y menos denso que ella. Se disuelve en disolventes orgánicos como alcohol, acetona y éter entre otros. Es de olor fuerte pero no desagradable, hierve a 80.1°C y se funde a 5.4 °C. Se obtiene mediante la destilación fraccionada del alquitrán de hulla y es utilizado como solvente de resinas, grasas y aceites; es tóxico y resulta peligroso respirar sus vapores por periodos largos. Su propiedad química más notable es su baja reactividad (estabilidad).

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A continuación se muestran algunos de los derivados monosustituidos más comunes junto con sus características más importantes. El nombre con mayúsculas es su nombre común. El nombre sistémico se presenta entre paréntesis. Se emplea en la fabricación de explosivos y colorantes Este compuesto no tiene nombre común. Es un líquido incoloro de olor agradable empleado en la fabricación del fenol y del DDT. Se emplea para preparar medicamentos, perfumes, fibras textiles artificiales, en la fabricación de colorantes. En aerosol, se utiliza para tratar irritaciones de la garganta. En concentraciones altas es venenoso. Es la amina aromática más importante. Es materia prima para la elaboración de colorantes que se utilizan en la industria textil. Es un compuesto tóxico Se emplea como materia prima de sustancias tales como colorantes. Se utiliza en la fabricación de trinitrotolueno (TNT) un explosivo muy potente. Se utiliza como desinfectante y como conservador de alimentos.

Algunos derivados aromáticos están formados por 2 o 3 anillos y les conocen como policíclicos. Ejemplos: Es conocido vulgarmente como naftalina. Es utilizado en germicidas y parasiticidas, además de combatir la polilla. Se utiliza para proteger postes y durmientes de ferrocarril de agentes climatológicos y del ataque de insectos. Agente cancerígeno presente en el humo del tabaco.

168

VALORA LA IMPORTANCIA DE LOS COMPUESTOS DEL CARBONO EN SU ENTORNO

A los isómeros con dos sustituyentes se les identifica con los prefijos: orto, meta y para

Orto-clorofenol Orto –clorohidroxibenceno Meta- xileno Meta-dimetilbenceno

Para-nitrotolueno Para nitrometilbenceno

O

-

CH3

+

O +

N

N

O

O

-

2, 4, 6- trinitrotolueno (TNT)

+

O

-

N

HO

O O

Acido meta-bromobenzoico Br

Para-xileno Para-dimetilbenceno

Actividad: 3 Resuelve los siguientes ejercicios de nomenclatura e identificación de fórmulas generales de hidrocarburos. Indica para cada formula molecular si representa a un alcano, alqueno o alquino. Fórmula

Hidrocarburo

C3H6 C5H12

Alqueno

C6H10 C7H16 C8H14 C9H20

BLOQUE 4

169

Actividad: 3 (continuación) 

Escribe el nombre o la fórmula según corresponda, para los siguientes ejemplos de hidrocarburos.

2,3-dimetil-4-etilhexano

CH3 – CH = CH2

4–Metil–2–etil–1,6 –heptadieno

3-etil pentano

CH3 – CH

C– CH – CH3

3–Metil– 1, 5 –heptadiino

2,5-dimetil-4-isopropilheptano Benceno

170

VALORA LA IMPORTANCIA DE LOS COMPUESTOS DEL CARBONO EN SU ENTORNO

Actividad: 3 (continuación)

m-nitrofenol

Evaluación Actividad: 3

Producto: Ejercicios de nomenclatura.

Conceptual Diferencia los hidrocarburos por su formulación.

Saberes Procedimental Realiza ejercicios de nomenclatura de los compuestos del carbono. C

Autoevaluación

MC

NC

Puntaje: Actitudinal Resuelve de forma ordenada y correcta la fórmula o nomenclatura de hidrocarburos. Calificación otorgada por el docente

Concepto de grupo funcional. El estudio de las propiedades de los millones de compuestos orgánicos conocidos se ha facilitado al agruparlos en clases o familias con base en sus particularidades estructurales. En consecuencia los miembros de cada clase de compuestos contienen un átomo o grupo de átomos característico que los distingue y se llama grupo funcional. Se llama función química a cada grupo de compuestos con propiedades y comportamientos químicos característicos. Cada función se caracteriza por poseer un agregado, de uno varios átomos, al que se denomina grupo funcional. El grupo funcional es el átomo o grupo de átomos que define la estructura de una familia particular de compuestos orgánicos y al mismo tiempo determina sus propiedades. Cada clase de compuestos exhibe propiedades químicas semejantes como resultado de tener un grupo funcional común. Por ejemplo el grupo hidroxilo (-OH) es el grupo funcional que caracteriza a la familia (función) de los alcoholes, el doble enlace (-C=C-) al la familia de los alquenos, el carboxilo (-COOH) a los ácidos carboxílicos, etc.

BLOQUE 4

171

La reactividad química de los compuestos orgánicos es mayor en los que además de tener átomos de C o H, tienen átomos de O, N, P, S o halógeno. Cuando se efectúa una reacción química, solo una parte de la molécula es la que participa en la reacción y la mayor parte de la cadena hidrocarbonada no sufre cambio alguno o bien sufre pequeños cambios. Las propiedades físicas como solubilidad, punto de ebullición y punto de fusión, se determinan por el tamaño de la cadena. Los gases y líquidos que tienen bajo punto de ebullición, con compuestos con cadenas cortas los compuestos con cadenas medianas son líquidos mientras que los sólidos tienen cadenas largas. En la siguiente tabla se dan a conocer los grupos funcionales que identifican algunas de las familias de compuestos orgánicos La R representa cualquier cadena hidrocarbonada de carácter alifática, independientemente del número de carbonos que contenga.

Nombre de la familia

Grupo Funcional

Fórmula general

Alcanos Alquenos

C–C C=C

R–CH2–CH2–R R–CH=CH–R

Alquinos

C C

R–C C–R

Alcoholes Ácidos Carboxílicos Aldehídos Cetonas Ésteres Éteres Aminas Amidas

–OH –COOH –CHO – CO – –COO– –O– –NH2 –CONH2

R–OH R–COOH R–CHO R–CO–R R–COO–R R–O–R R–NH2 R–CONH2

Halogenuros de Alquilo

–X

R–X

Actividad: 4 Identifica y encierra el grupo funcional de cada una de las siguientes fórmulas de compuestos orgánicos y anota el nombre de la función (familia) a la que pertenece. Compáralo con los de tus compañeros. CH3 – CH = CH2 ______________________________

HC C – CH2 – CH2 – CH2 – CH3 ________________

CH3 – CH2 – CH3 ______________________________

CH3 – CH2 – CH2 – COOH _______________________

CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – OH _____________________

CH3 – CH2 – CHO

CH3 – NH2

CH3 – COO – CH2 – CH2 – CH3 ___________________

___________________________________

____________________________

CH3 – CH2 – CONH2 ____________________________

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Evaluación Actividad: 4 Conceptual Identifica las diferentes funciones químicas a partir de su grupo funcional.

Producto: Ejercicios de nomenclatura.

Puntaje:

Saberes Procedimental Clasifica las funciones químicas.

C Autoevaluación

MC

NC

Actitudinal Realiza sus labores escolares en forma ordenada y precisa.

Calificación otorgada por el docente

Compuestos oxigenados. Son compuestos orgánicos constituidos por carbono, hidrógeno y oxígeno. Revisaremos a continuación las funciones oxigenadas siguientes: alcoholes, fenoles, éteres, aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos y ésteres.

Alcohol. Los alcoholes son compuestos muy abundantes en la naturaleza y por lo tanto productos comunes en nuestra vida diaria. Son compuestos importantes para la Química Orgánica y de gran demanda en la industria química, su importancia radica principalmente en su poder de transformación. Pertenecen a la familia de compuestos orgánicos formados por carbono, hidrógeno y oxígeno. Se consideran derivados hidroxilados de los hidrocarburos, ya que uno o más hidrógenos se sustituyen por uno o más grupos hidroxilo (–OH). Se clasifican en monoalcoholes y polialcoholes. Los monovalentes contienen un grupo hidroxilo (OH) en su molécula. Los polivalentes contienen dos o más grupos hidroxilos en su molécula.

Los alcoholes alifáticos monovalentes (con un solo hidroxilo) se clasifican en primarios, secundarios y terciarios, según el grupo funcional OH esté unido a un carbono primario, secundario o terciario.

Nomenclatura de alcoholes. Existen varias formas de nombrar a los alcoholes. Nomenclatura común: Cuando el alcohol se deriva de un grupo alquilo se utilizan un nombre común formado por la palabra alcohol y el nombre del radical añadiéndole la terminación ico.

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Alcohol

Nombre común Alcohol metílico Alcohol etílico Alcohol propílico Alcohol isopropílico

Alcohol butílico Alcohol isobutílico

Alcohol terbutílico

Nomenclatura UIQPA de alcoholes. Se elige como estructura principal la cadena más larga en que se encuentra el grupo hidroxilo; comienza la numeración de la cadena por el extremo más cercano a dicho grupo; a la terminación ano del alcano se le agrega la letra “l” para que quede la terminación ol y especifica la posición del hidroxilo mediante el número correspondiente. Los radicales se mencionan siguiendo las mismas reglas de alcanos. Ejemplos:

4-metil-2-hexanol

4-metil-3-etil-1-pentanol

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Cuando los alcoholes contienen dos o más grupos funcionales OH, los nombres de éstos deben incluir números que indiquen la posición de cada hidroxilo en la cadena principal y la terminación diol, triol, etc. según se trate de dos, tres o más grupos hidroxilo (OH). Ejemplos; Efectos del alcohol etílico.

1,2,3-propanotriol (glicerol)

2,2,3-pentanotriol

En general, los efectos del alcohol etílico son directamente proporcionales a su concentración en sangre: a mayor concentración mayor deterioro. El alcohol etílico es un depresor del sistema nervioso central. No tiene efectos estimulantes. El alcohol etílico deteriora e incapacita a la persona para conducir con seguridad.

2,3-butanodiol

Propiedades físicas de los alcoholes. A temperatura ambiente, los alcoholes hasta de once átomos de carbono son líquidos, los de doce o más carbonos son sólidos. La densidad de los alcoholes alifáticos es menor que la del agua. Del pentanol al undecanol son oleaginosos, insolubles en agua, de olor agradable.

El alcohol etílico produce efectos negativos sobre la conducción de vehículos incluso por debajo del límite legal. El alcohol etílico aumenta el tiempo que nuestro organismo necesita para recibir la información, procesarla y responder.

Alcoholes de importancia comercial. Uno de los principales alcoholes es el metanol o alcohol metílico (alcohol de madera); tiene usos industriales importantes y se prepara en gran escala. Tiene importantes aplicaciones como disolvente en Química Orgánica y materia prima para la fabricación de formaldehído. El alcohol metílico es venenoso. Si se ingiere, se respiran sus vapores o se expone la piel a su contacto por un periodo prolongado, puede provocar ceguera y aun la muerte, por lo que es necesario ser muy cuidadosos para no confundirlo con el alcohol etílico. Etanol (alcohol de caña o de vino) El alcohol etílico se obtiene por fermentación de vegetales que contengan carbohidratos; se utiliza como disolvente en la preparación de muchos productos farmacéuticos; también sirve como desinfectante. Un gran volumen de este producto se consume en forma de bebidas embriagantes, para uso industrial se le desnaturaliza agregando una sustancia que le añade mal olor o mal sabor, para evitar que el ser humano que lo consuma. El etanol (alcohol etílico) ingerido en exceso, provoca serios problemas: disminuye el autocontrol, la capacidad intelectual, los reflejos y otros trastornos propios del estado de ebriedad. Puede producir pérdida de la conciencia y finalmente provocar la muerte. Es muy importante analizar los graves efectos de conducir cuando se ha ingerido alcohol. Un alto porcentaje de los accidentes automovilísticos, muchos de los cuales llegan a ser fatales o de graves consecuencias, son provocados por la ebriedad del conductor. El etilenglicol (1,2-etanodiol) es empleado en grandes cantidades como anticongelante para radiadores y como fluido de frenos hidráulicos. El glicerol (1,2,3-propanotriol) tiene consistencia espesa y sabor dulce, se emplea en la fabricación de jarabes, en la industria de los alimentos y en la farmacéutica; también tiene aplicación como lubricante, plastificante, anticongelante y en la fabricación de explosivos, en la industria de los cosméticos, es la base para las cremas humectantes.

BLOQUE 4

Conducir bajo la influencia del alcohol se considera delito. El nivel de alcohol permitido en sangre es de 0.8 g/lt o su equivalente en aire espirado de 0.4 mg/lt

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El fenol o hidroxibenceno no es alcohol, ya que su comportamiento es el de un derivado aromático y no como la de los alcoholes, es de gran importancia química y tiene aplicación como desinfectante, germicida y anestésico local. La hidroquinona, otro derivado aromático, tiene aplicación en sustancias de reveladores fotográficas y en la elaboración de productos dermatológicos aclarantes de la piel.

Éter. Los éteres son compuestos orgánicos que tienen como formula general C nH2nO y su estructura se expresa por R – O – R´. Pueden clasificarse como derivados de los alcoholes, al sustituir el hidrógeno del grupo hidroxilo por otro radical alquilo. Los dos grupos R y R´, pueden derivarse de hidrocarburos alifáticos saturados, no saturados o aromáticos y pueden ser iguales (éter simétrico) o diferentes (éter asimétrico).

CH3-O-CH3 Simétrico

CH3-O-CH2-CH3 asimétrico

Una forma trivial de nombrarlos antepone la palabra éter al nombre de los radicales unidos al oxígeno; al nombre del último radical, que es el más grande se le da la terminación ico. Otra forma es indicar los grupos alquilo unidos al oxígeno, seguidos por la palabra éter. Si aparece el mismo radical a ambos lados del oxígeno se añade el prefijo di, si son distintos se nombran en orden de complejidad. Ejemplos:

CH3-O-CH3 dimetil éter o

éter dimetílico

CH3-O-CH2-CH3 metil etil éter

o

éter metílico

o éter metil etílico

Propiedades físicas y usos de los éteres. Los dos primeros términos alifáticos son gaseosos a la temperatura ambiente. En general su olor es agradable. Los éteres que tienen de cinco o menos átomos de carbono son solubles en agua, el resto son insolubles. Son menos densos que el agua. El éter dietílico (éter etílico) y el éter diisopropílico (éter isopropílico) se emplean como disolventes de grasas. El éter etílico se empleaba anteriormente como anestésico, pero debido a que es muy inflamable y a los efectos secundarios, ha sido reemplazado por otras sustancias menos peligrosas.

Ácidos carboxílicos. Compuestos orgánicos que contienen el grupo funcional Carboxilo (R– COOH), el cual está ubicado siempre en el extremo de la cadena de carbonos. En una molécula puede haber uno, dos o más grupos carboxílicos. La fórmula general de un ácido monocarboxílico alifático saturado es: CnH2n-1COOH.

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VALORA LA IMPORTANCIA DE LOS COMPUESTOS DEL CARBONO EN SU ENTORNO

Su fórmula se representa:

R–COOH

o

El grupo funcional carboxilo, es un grupo compuesto por dos grupos funcionales, el carbonilo y el hidroxilo de ahí su nombre carbo-xilo.

En condiciones apropiadas tanto los alcoholes como los aldehídos se pueden oxidar hasta ácidos carboxílicos, ácidos que contienen el grupo carboxilo, –COOH. Los ácidos carboxílicos abundan en la naturaleza. Se encuentran tanto en el reino vegetal como en el animal. La mayoría de los ácidos orgánicos han sido aislados de fuentes naturales, por lo que se les dieron nombres triviales que señalaban el origen o alguna propiedad del ácido. Así, tenemos al ácido fórmico, aislado del veneno de las hormigas (del latín Formica=hormiga); al acético (del latín acetum=vinagre); al propiónico (del griego propios=primero), por ser el primero de la serie con aspecto aceitoso; al butírico (del latín butyrum=mantequillas); al caprionico, caprílico y cáprico (del latín capra=cabra) al encontrarse en la grasa de las cabras; al esteárico (del griego stear=sebo), etc. Estos nombres no se recomiendan en la actualidad excepto para los ácidos más sencillos, ya que es más simple y lógico aplicar la nomenclatura sistemática a todos los ácidos. Nomenclatura de ácidos carboxílicos. El nombre UIPQA para éstos ácidos al nombre del alcano correspondiente se le agrega la terminación ico; el nombre resultante se le antepone siempre la palabra ácido. Los sustituyentes se numeran de forma usual y el carbono del grupo carboxilo siempre será el número 1. Ejemplo:

Ácido-4-metil-3-etilpentanoico

Ácido-6-etil-3-terbutiloctanoico

Existe además la forma de nombrar estos ácidos pero usando los nombres del sistema común para ello, se considera que los carbonos que pueden recibir algún sustituyente (alquilo, hidroxilo, amino, halógeno, etc.) son los carbonos que están después del carboxilo, así que el carbón #2 es llamado carbón alfa (α), el carbón #3 es el carbón beta (β), y así sucesivamente usando las letras del alfabeto griego para indicar las posiciones

Ácido-4-metil-3-etilpentanoico = Acido γ-metil-β-etil valerico

Ácido-6-etil-3-terbutiloctanoico = Acido ε-etil- β-terbutilcaprilico

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En la siguiente Tabla se dan a conocer los principales ácidos de cadena normal, con su nombre común y el de la UIQPA. Fórmula

H – COOH CH3 – COOH CH3 – CH2 – COOH CH3 – CH2 – CH2 COOH CH3 – (CH2 )3 – COOH CH3 – (CH2 )4 – COOH CH3 – (CH2 )6 – COOH CH3 – (CH2 )8 – COOH CH3 – (CH2 )10 – COOH CH3 – (CH2 ) 14 – COOH CH3 – (CH2 )16 – COOH

Nombre de la UIQPA Ácido metanoico

Nombre común Ácido fórmico

Ácido etanoico

Ácido acético

Ácido propanoico

Ácido propiónico

Ácido butanoico

Ácido butírico

Ácido pentanoico

Ácido valérico

Acido hexanoico

Acido caproico

Acido octanoico

Acido caprilico

Acido decanoico

Acido caprico

Ácido dodecanoico

Ácido láurico

Ácido hexadecanoico

Ácido palmítico

Ácido octadecanoico

Ácido esteárico

Propiedades físicas de los ácidos carboxílicos. Esto hace que los primeros cuatro ácidos monocarboxílicos alifáticos sean líquidos completamente solubles en agua. La solubilidad disminuye a medida que aumenta el número de átomos de carbono. A partir del ácido dodecanóico o ácido láurico los ácidos carboxílicos son sólidos blandos insolubles en agua. Los ácidos fórmico y acético (1, 2 carbonos) son líquidos de olores irritantes. Los ácidos de 4, 5 y 6 carbonos presentan olores desagradables. Los ácidos con mayor cantidad de carbonos presentan poco olor. Los ácidos carboxílicos forman parte del metabolismo de las grasas tanto de vegetales como de animales, por lo que a partir del ácido butírico estos son sintetizados dentro de las células conformando así los llamados ácidos grasos, los cuales por razones de metabolismo celular son siempre de cadena con número par de carbonos. Aplicaciones de los ácidos carboxílicos. Todas las moléculas de proteínas están formadas por aminoácidos, una clase particular de ácidos carboxílicos que contienen un grupo amino (–NH2) y un grupo carboxilo (–COOH). Los ácidos carboxílicos ocupan un lugar importante dentro de la química orgánica, dado que sirven para la construcción de derivados relacionados, como ésteres y amidas. También son importantes en la síntesis orgánica de muchas otras moléculas. Algunos ejemplos importantes son el ácido cólico, uno de los principales componentes de la bilis humana, y los ácidos alifáticos de cadena larga como el ácido oleico y el ácido linoleico, precursores biológicos de grasas y otros lípidos. También se encuentran en la naturaleza muchos ácidos carboxílicos saturados simples. Por ejemplo, el ácido acético, CH3COOH, es el principal componente orgánico del vinagre; el ácido butanoico, CH3 –CH2 –CH2 –COOH, es el que da el olor a la mantequilla rancia, y el ácido hexanoico (ácido caproico), CH 3 –(CH2)4 –COOH, es la causa del inconfundible olor de las cabras y otros animales de granja, también se encuentra en el sudor, se produce por la fermentación de algunas grasas. Los ácidos orgánicos reaccionan con los óxidos e hidróxidos metálicos y con metales alcalinos formando sales, todas ellas de puntos de fusión elevados, y de muy diversas aplicaciones industriales. Las sales de ácidos carboxílicos alifáticos con más de cuatro átomos de carbono reciben el nombre de jabones.

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Ésteres. Los ésteres tienen la fórmula general R´–COO–R, donde R´puede ser H o un grupo hidrocarbonado y R es un grupo hidrocarbonado. También se puede representar de la siguiente forma:

Estos compuestos se forman por la reacción de los ácidos carboxílicos con los alcoholes, a este método de obtención se le llama esterificación; en la reacción se eliminan moléculas de agua. Ejemplo.

Es interesante observar que, mientras que los ácidos carboxílicos tienen olores desagradables, sus correspondientes ésteres son de olores agradables. Los ésteres son muy abundantes en la naturaleza, siendo componentes principales de numerosos aromas florales y frutales, lo mismo que de sabores (acetato de etilo, aroma de manzana, butirato de etilo, aroma de piña, acetato de pentilo, aroma del plátano). Las ceras (candelilla, de abeja, etc.) son principalmente mezclas de ésteres.

Nomenclatura de ésteres. Se les nombra citando primero la parte del ácido cambiando la terminación ico por ato seguida de la preposición de y el nombre del radical derivado del alcohol. Así, en sistema UIPAQ o IUPAQ, el ácido etanoico da lugar a los etanoatos y en nombre común el ácido acético da lugar a acetatos. Ejemplos:

CH3 –COO–CH2–CH3 etanoato de etilo o acetato de etilo porción del ácido CH3 –COO–CH2–CH3→ porción del alcohol

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Sí el ácido tiene ramificaciones:

3,4-dimetil pentanoato de etilo Propiedades y aplicaciones de los ésteres. Los ésteres líquidos se utilizan para reemplazar los olores de algunas frutas y flores, en perfumes, dulces y chicles. En los últimos años son utilizados para mejorar el sabor y el aroma de los alimentos procesados, la mayor parte de las conservas y jaleas tienen sabores artificiales, como se indica en las etiquetas. Se utilizan también en la elaboración de perfumes. Los ésteres de cadena corta (bajo peso molecular) son líquidos de olor agradable a flores o frutas. Los ésteres de cadena larga (alto peso molecular), son sólidos e incoloros y dejan de tener olores atractivos; o sea, que se vuelven totalmente desagradables, como por ejemplo tenemos a las mantecas (grasas) o sebos. En la siguiente tabla se presentan algunos olores característicos de los ésteres. Fórmula

IUPAC

Nombre común

Fuente

HCOOCH3

Metanoato de metilo

Formiato de metilo

Ron

HCOOCH2CH(CH3)2

Metanoato de isobutilo

Formiato de isobutilo

Frambuesas

HCOOCH2(CH2)3CH3

Etanoato de pentilo

Acetato de n-amilo

Bananas

HCOOCH2(CH2)6CH3

Etanoato de octilo

Acetato de n-octilo

Naranjas

CH3(CH2)2COOCH2CH3

Butanoato de etilo

Butirato de etilo

Piña

Aldehídos y cetonas. Los aldehídos y cetonas son compuestos muy relacionados sus estructuras contienen al grupo carbonilo, C=O; un carbono unido por doble enlace al oxígeno. Los aldehídos presentan el grupo carbonilo en posición terminal, mientras que las cetonas en posición intermedia.

Aldehído

Cetona

Se puede observar que el grupo carbonilo de los aldehídos contiene al menos un hidrógeno, a diferencia de las cetonas, que tienen dos grupos R unidos al carbonilo. Esta diferencia estructural le confiere mayor reactividad a los aldehídos.

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VALORA LA IMPORTANCIA DE LOS COMPUESTOS DEL CARBONO EN SU ENTORNO

Tanto los aldehídos como las cetonas son muy frecuentes en la naturaleza, formando parte de numerosos aceites esenciales, por ejemplo el alcanfor. Algunos compuestos son producidos por animales (muscona, grupos cetónicos, etc.) Propiedades físicas de aldehídos y cetonas. Tanto los aldehídos como las cetonas, que tienen hasta cuatro átomos de carbono don totalmente miscibles con el agua, pero a medida que aumentan los carbonos la solubilidad disminuye y ya los homólogos con siete o más carbonos son insolubles en agua. Los puntos de ebullición son ligeramente superiores a los hidrocarburos o compuestos orgánicos de peso molecular comparable. La densidad de los aldehídos y cetonas es inferior a la del agua. Nomenclatura de aldehídos. En la nomenclatura sistémica la terminación característica para los aldehídos es al, la cual se añade al nombre original del alcano (suprimiendo la terminación “o” de este) que tenga el mismo número de átomos de carbono. El grupo aldehído siempre aparece en la parte final de la cadena y de allí inicia la numeración de la cadena, el número 1 no aparece en el nombre. Los demás sustituyentes quedan indicados por el número correspondiente en la cadena carbonada. Ejemplos:

CH3 – CH2 – CHO

propanal

También se emplean nombres comunes para los aldehídos. Se denominan por lo general como derivados del ácido carboxílico correspondiente que pueden formar por oxidación, la terminación ico del ácido se suprime y se sustituye por aldehído. Ejemplo: Ácido carboxílico H – COOH Ácido fórmico

Aldehído H – CHO formaldehído ( metanal)

CH3 – COOH Ácido acético

CH3 – CHO acetaldehído (etanal)

Nomenclatura de cetonas. Las cetonas se nombran igual que los alcanos, pero sustituyendo la terminación “o” por la de “ona”. La posición del grupo carbonilo y de las ramificaciones se indica mediante números y se eligen de manera que al grupo carbonilo (C=O) le corresponda el número menor posible. También se emplean nombres comunes para las cetonas, con excepción de la acetona (propanona), se nombran según los grupos alquilo unidos a la función carbonilo seguidos de la palabra cetona. Los radicales se nombran en orden de complejidad.

CH3–CO–CH3

Acetona o propanona o dimetilcetona

CH3– CH2 – CO–CH3

Metil-etil cetona o 2 butanona

BLOQUE 4

181

Fórmula condensada Aldehído

Nombre según IUPAC

Nombre común

HCHO

Metanal

Formaldehído

CH3CHO

Etanal

Acetaldehído

CH3CH2CHO

Propanal

Propionaldehído

CH3CH2CH2CHO

Butanal

Butiraldehído

C6H5CHO

Benzaldehído

Benzaldehído

CH3COCH3

Propanona

Cetona (dimetilcetona)

CH3COC2CH5

2-Butanona

Metiletilcetona

C6H5COC6H5 C6H10O

Difenilcetona Clicohexanona

Benzofenona Ciclohexanona

Cetonas

Aplicaciones de aldehídos y cetonas. El metanal (formaldehído) es el aldehído más sencillo (HCHO) y más utilizado. Es un gas tóxico e irritante, muy soluble en agua. Se maneja como solución acuosa al 40%, llamada formol o formalina. Es un poderoso germicida, se emplea para embalsamar y preservar especímenes biológicos. También sirve para desinfectar habitaciones, barcos y construcciones para almacenamiento, combatir plagas de mosca, curtir pieles y como fungicida para plantas y vegetales. Pero el principal uso de esta sustancia es en la fabricación de polímeros. Sus vapores son muy irritantes para las membranas mucosas, su ingestión puede ocasionar fuertes dolores abdominales que conducen al coma y a la muerte. La acetona se emplea grandes cantidades, como disolvente en la fabricación de medicinas, productos químicos y explosivos; para la remoción de pinturas, barnices comunes y para las uñas, y como disolvente en la industria de los plásticos, es el solvente del gas acetileno embotellado. La metiletilcetona o 2 butanona, se emplea como disolvente especial de lacas.

Actividad: 5 En equipo. Escribe el nombre o la estructura según corresponda, para los siguientes ejemplos de derivados oxigenados de los hidrocarburos (alcohol, aldehído, cetona, éter, acido carboxílico y éster). Estructuras

Nombres

3-metil-4-etil octanal

182

VALORA LA IMPORTANCIA DE LOS COMPUESTOS DEL CARBONO EN SU ENTORNO

Actividad: 5 (continuación)

Estructuras

Nombres Hexanoato de metilo

Etil-isopropil éter

CH3–CH2–CH2–CH2–COOH

5,6-dimetil-2,4-heptanodiol CH3–CH2–COO–H Ácido 2-etil-4-metilhexanoico CH3–CH2 3-pentanona

CH3 – CH – CH2 – CH2 – CHO | CH3

Evaluación Actividad: 5 Conceptual Diferencia los derivados oxigenados de los hidrocarburos por su formulación.

Producto: Ejercicios de nomenclatura. Saberes Procedimental Realiza ejercicios de nomenclatura de los compuestos del carbono. C

Autoevaluación

BLOQUE 4

MC

NC

Puntaje: Actitudinal Resuelve de forma ordenada y correcta la fórmula o nomenclatura de los derivados oxigenados. Calificación otorgada por el docente

183

Compuestos nitrogenados. Otro elemento químico cuyo campo de acción se encuentra en los compuestos del carbono es el nitrógeno. Los compuestos nitrogenados se encuentran ampliamente distribuidos en la naturaleza y en numerosos productos sintéticos de interés medicinal. Muchos de ellos presentan actividad biológica pues forman parte de las proteínas, los ácidos nucleicos, los fosfolípidos, los alcaloides, entre otros. Algunos como las anfetaminas, los antibióticos y los anestésicos locales, son importantes por sus usos en medicina; en el campo industrial se utilizan en colorantes, polímeros como el nylon, aditivos para alimentos, edulcorantes entre otros. En este bloque se estudian dos clases de compuestos nitrogenados: las aminas y amidas.

Aminas. Se llaman aminas los derivados hidrocarbonados del amoniaco (NH3). Según se sustituyan uno, dos o los tres átomos de hidrógeno del amoniaco por radicales alquilo, se clasifican en aminas primarias, secundarias o terciarias, dependiendo de los grupos orgánicos unidos al átomo de nitrógeno.

La metilamina es uno de los productos de la putrefacción del pescado y el responsable en parte del olor a pescado podrido.

Nomenclatura de aminas. El sistema más empleada para nombrar a las aminas consiste en denominar los grupos alquilo unidos al átomo de nitrógeno, utilizando los prefijos adecuados si hay dos o más sustituyentes idénticos (di o tri) unidos al nitrógeno, seguidos de la palabra amina. CH3– NH2

metil amina

CH3–CH2–NH2

etil amina

CH3–NH–CH3

dimetil amina

Cuando se trata de grupos diferentes estos se nombran empezando por los más pequeños y terminando con el mayor al que se agrega la terminación amina. Algunas veces se indica la posición del sustituyente. (–N) CH3–CH2–NH–CH3

metil etilamina (N-metil etilamina)

CH3–N–CH2–CH2–CH3 | CH3

N, N–dimetil propilamina

Propiedades y función de las aminas. En las aminas los dos primeros términos son gaseosas, el resto son líquidas (intermedias) y sólidas las superiores. Todas tienen olores irritantes y desagradables, particularmente las primeras. La solubilidad en agua disminuye según aumenta el peso molecular. El grupo amino es constituyente principal de las proteínas. Existen numerosos compuestos naturales que contienen función amina y que son muy importantes para la vida como la adrenalina y norepinefrina; hormonas estimulantes del sistema nervioso. Se encuentran en materiales biológicos como la muscarina, toxina de algunos hongos, o se producen durante la putrefacción, como la cadaverina y la putrescina.

184

VALORA LA IMPORTANCIA DE LOS COMPUESTOS DEL CARBONO EN SU ENTORNO

La anilina (amina aromática) tiene gran demanda para la preparación de un gran número de colorantes muy utilizados en los alimentos y en la industria textil. También en la preparación de antioxidantes y productos farmacéuticos. Productos químicos agrícolas y pinturas sintéticas.

Amidas. Las amidas se consideran como producto de la sustitución del hidroxilo del grupo funcional carboxilo por un grupo amino; su fórmula general es R–CONH2. Nomenclatura de amidas. En el sistema UIQPA se nombran cambiando la terminación “o” del nombre del hidrocarburo base por amida. El carbono que contiene el grupo amida se considera parte del hidrocarburo base. Si existen uno o más grupos alquilo sustituidos en el nitrógeno, se nombran empleando la letra N por cada grupo alquilo sustituido.

BLOQUE 4

Amida H – CONH2

Nombre UIQPA Metanamida

Nombre común Formamida

CH3 – CONH2

Etanamida

Acetamida

CH3 – CH2 – CONH2 CH3 – CH2 – CH2 – CONH2

Propanamida Butanamida

Propionamida Butiramida

CH3 – CONH – CH3 CH3 – CH2 – CONH – CH2 – CH3

N – metiletanamida N – etilpropanamida

N – metilacetamida N – etilpropionamida

N,N–dimetiletanamida

N,N – dimetilacetamida

N–metil–Netilbutanamida

N–metil–N–etilbutiramida

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Propiedades y usos de las amidas. Las amidas son comunes en la naturaleza y se encuentran en sustancias como las proteínas, el ADN y el ARN, hormonas, vitaminas. Existen polímeros que contienen grupos amida. Algunos son sintéticos, como el naylon, pero también se encuentran en la naturaleza, en las proteínas, formadas a partir de los aminoácidos, por reacción de un grupo carboxilo de un aminoácido con un grupo amino de otro. En las proteínas a la unión amida se le llama enlace peptídico.

Actividad: 6 Elabora una tabla de contenido en la que se muestren las familias de compuestos orgánicos, incluyendo: grupo funcional (familia o función química), sus propiedades y usos. (Puedes consultar otras fuentes de información). Entrega la tabla en el tiempo indicado por tu docente. Familia

Propiedades

Usos

A temperatura ambiente, los alcoholes hasta de once átomos de carbono son líquidos, los de doce o más carbonos son sólidos. La densidad de los alcoholes alifáticos es menor que la del agua. Del pentanol al undecanol son oleaginosos, insolubles en agua, de olor agradable.

Uno de los principales alcoholes es el metanol (alcohol de madera); tiene usos industriales importantes y se prepara en gran escala. Tiene importantes aplicaciones como disolvente en Química Orgánica y materia prima para la fabricación de formaldehído.

(grupo funcional)

Alcoholes R–OH

Evaluación Actividad: 6 Conceptual Describe las propiedades físicas y los usos de los compuestos del carbono.

Autoevaluación

186

Producto: Tabla.

Puntaje:

Saberes Procedimental Actitudinal Recopila información sobre Valora el uso y la importancia propiedades físicas y usos de los biológica y socioeconómica de compuestos del carbono. los compuestos del carbono. Organiza y compara la información en una tabla de contenido. C MC NC Calificación otorgada por el docente

VALORA LA IMPORTANCIA DE LOS COMPUESTOS DEL CARBONO EN SU ENTORNO

Actividad: 7 Lee cuidadosamente y resuelve los siguientes cuestionamientos. Elige la respuesta correcta y rellena el círculo.

1.

2.

3.

4.

5.

¿Cuál de los siguientes enunciados corresponde al campo de la química orgánica? Ⓐ

Obtención del bicarbonato de sodio (NaHCO3)

Ⓑ

Obtención del ácido acético (CH3 –COOH)

Ⓒ

Propiedades del carbonato de calcio (CaCO3)

Ⓓ

Propiedades del ácido carbónico (H2CO3)

Es el tipo de hibridación que presenta el grupo de hidrocarburos llamadas alquinos en los carbonos de la triple ligadura: hay dos respuestas correctas Ⓐ

sp

Ⓑ

sp2

Ⓒ

sp3

Ⓓ

sp4

La diferencia entre el propano, propeno y propino se debe a: Ⓐ

El número de átomos de hidrógeno que poseen.

Ⓑ

El número de átomos de carbono que poseen.

Ⓒ

El tipo de átomos unidos a los átomos de carbono.

Ⓓ

El tamaño de la cadena de carbonos.

Son ejemplos de solventes que pueden disolver materiales como los que se utilizan para fabricar vasos de hielo seco, vaselina y cera de las veladoras: Ⓐ

Éter y agua.

Ⓑ

Benceno y tetracloruro de carbono.

Ⓒ

Ácido clorhídrico.

Ⓓ

Agua y ácido cítrico.

La estructura: CH3 – CH2 – CH = CH – CH2 –CH2 –CH3 corresponde al compuesto: Ⓐ

3-heptano.

Ⓑ

3-hepteno.

Ⓒ

4-heptano.

Ⓓ

4-heptino.

BLOQUE 4

187

Actividad: 7 (continuación) 6.

Si se determina el punto de ebullición de los siguientes alcanos, el que tendrá el mayor punto de ebullición será:

Ⓐ Butano. Ⓑ Pentano. Ⓒ Hexano. Ⓓ Octano. 7.

Una de las aplicaciones del metano a nivel industrial es como: Ⓐ Combustible. Ⓑ Disolvente. Ⓒ Materia prima para elaborar plásticos. Ⓓ Aromatizante.

8.

Gas que es utilizado en los sopletes de soldadura: Ⓐ Eteno. Ⓑ Etileno. Ⓒ Etino. Ⓓ Propeno.

9.

El compuesto llamado etilenglicol (anticongelante) ¿a qué tipo de familia pertenece? Ⓐ Alcano. Ⓑ Alqueno. Ⓒ Alcohol. Ⓓ aldehído.

10. El nombre sistémico (UIQPA) correcto para el siguiente compuesto es: Ⓐ Alcohol propílico. Ⓑ Alcohol terbutílico. Ⓒ 2-metil-2-propanol. Ⓓ 2-etil- 2-propanol.

188

VALORA LA IMPORTANCIA DE LOS COMPUESTOS DEL CARBONO EN SU ENTORNO

Actividad: 7 (continuación) 13. Es el grupo funcional característico de los ácidos carboxílicos: Ⓐ R-O-R Ⓑ R-C=C-R Ⓒ R-COOH Ⓓ R-COO-R 14. Las aminas tienen importancia biológica porque: Ⓐ Se obtienen como producto de fermentación de las frutas. Ⓑ Se utilizan en la fabricación de jabones. Ⓒ Forman parte de la estructura de los aminoácidos. Ⓓ Porque forman parte de las grasas animales. 15. Las amidas son importantes para los seres vivos porque: Ⓐ Sirven como disolventes de grasas y aceites. Ⓑ Forman parte de los carbohidratos. Ⓒ Aparecen en las grasas animales. Ⓓ Son parte de la estructura de las proteínas. Responde cada uno de los siguientes cuestionamientos. Anota la respuesta correcta en el espacio correspondiente. 16. Menciona ejemplos de compuestos del carbono que utilizas en tu vida diaria. __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________

BLOQUE 4

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Actividad: 7 (continuación) 17. ¿Qué entiendes por función química? ¿Cómo está determinada cada función? __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ 18. Explica la importancia del uso racional de los hidrocarburos. __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________

Evaluación Actividad: 7 Conceptual Reconoce las propiedades físicas, la nomenclatura y usos de los compuestos del carbono.

Producto: Cuestionario. Saberes Procedimental Resuelve una serie de cuestionamientos. C

Autoevaluación

190

MC

NC

Puntaje: Actitudinal Muestra seguridad en la resolución de los cuestionamientos. Calificación otorgada por el docente

VALORA LA IMPORTANCIA DE LOS COMPUESTOS DEL CARBONO EN SU ENTORNO

p

Identifica la importancia de las macromoléculas naturales y sintéticas.

Unidad de competencia: Reconoce la importancia de las macromoléculas naturales (carbohidratos, lípidos y proteínas) en los seres vivos, así como la existencia, uso e impacto ambiental de las macromoléculas sintéticas con una actitud responsable y cooperativa en su manejo.

Atributos a desarrollar en el bloque: 3.2 Toma decisiones a partir de la valoración de las consecuencias de distintos hábitos de

consumo y conductas de riesgo. 4.1 Expresa ideas y conceptos mediante representaciones lingüísticas, matemáticas o gráficas. 5.1 Sigue instrucciones y procedimientos de manera reflexiva, comprendiendo cómo cada uno de sus pasos contribuye al alcance de un objetivo. 5.2 Ordena información de acuerdo a categorías, jerarquías y relaciones. 5.3 Identifica los sistemas y reglas o principios medulares que subyacen a una serie de fenómenos. 5.4 Construye hipótesis y diseña y aplica modelos para probar su validez. 5.6 Utiliza las tecnologías de la información y comunicación para procesar e interpretar información. 6.1 Elige las fuentes de información más relevantes para un propósito específico y discrimina entre ellas de acuerdo a su relevancia y confiabilidad. 6.3 Reconoce los propios prejuicios, modifica sus propios puntos de vista al conocer nuevas evidencias, e integra nuevos conocimientos y perspectivas al acervo con el que cuenta. 7.1 Define metas y da seguimiento a sus procesos de construcción de conocimientos. 8.1 Propone manera de solucionar un problema y desarrolla un proyecto en equipo, definiendo un curso de acción con pasos específicos. 8.2 Aporta puntos de vista con apertura y considera los de otras personas de manera reflexiva. 8.3 Asume una actitud constructiva, congruente con los conocimientos y habilidades con los que cuenta dentro de distintos equipos de trabajo.

Tiempo asignado: 15 horas

Secuencia didáctica 1. Macromoléculas naturales. Inicio Actividad: 1 +-

Responde el siguiente cuestionario. Al finalizar comenta tus respuestas con el resto del grupo. 1.

192

¿Qué diferencia hay entre moléculas naturales y sintéticas?

2.

¿Qué entiendes por macromolécula?

3.

Menciona los elementos y moléculas que forman a los seres vivos:

4.

Consulta las etiquetas de la composición de uno o dos alimentos procesados que tengas en casa y realiza una lista de los componentes que contienen, y anótalos en este espacio.

IDENTIFICA LA IMPORTANCIA DE LAS MACROMOLÉCULAS NATURALES Y SINTÉTICAS

Actividad: 1 Conceptual Identifica la presencia de moléculas naturales y sintéticas en su vida diaria. Autoevaluación

Evaluación Producto: Cuestionario Saberes Procedimental Expresa por escrito sus conocimientos sobre el tema. C

MC

NC

Puntaje: Actitudinal Se expresa con claridad y precisión.

Calificación docente

otorgada

por

el

Desarrollo Macromoléculas, monómeros y polímeros. Un polímero es un compuesto molecular que se distingue por tener una masa molar muy grande, desde miles a millones de gramos por cada mol, y estar formado por muchas unidades que se repiten (monómeros) en toda la estructura de la molécula. Las propiedades físicas de los polímeros, también conocidos como macromoléculas son muy distintas a las de las moléculas pequeñas y comunes. Generalmente se pueden describir como la repetición de una o unas pocas unidades mínimas o monómeros, formando los polímeros o largas cadenas de muy diversas formas; lineales o ramificadas. Se conocen dos tipos de estas macromoléculas: las naturales y las sintéticas. Dentro de los polímeros naturales (son aquéllos sintetizados como parte del metabolismo celular en vegetales y en animales) se encuentran los carbohidratos, las proteínas, los lípidos y los ácidos nucleicos, los cuales forman parte de los seres vivos. Existen polímeros naturales de gran significación comercial como; la celulosa y el algodón que se emplean para hacer telas y papel. La seda es otro polímero natural muy apreciado y es una poliamida semejante al nylon. El hule de los árboles de hevea y de los arbustos de Guayule, son también polímeros naturales importantes. Sin embargo, la mayor parte de los polímeros que se utilizan para mejorar nuestra calidad de vida diaria, son materiales sintéticos con propiedades y aplicaciones variadas. Lo que distingue a los polímeros de los materiales constituidos por moléculas de tamaño normal son sus propiedades mecánicas. Los monómeros son unidades moleculares sencillas agrupadas de acuerdo a sus propiedades químicas; algunos monómeros naturales son los monosacáridos, aminoácidos y los nucleótidos. Cuando las unidades son idénticas reciben el nombre de homopolímero; si las unidades son distintas se denominan copolímero, pero siempre unidades diferentes dentro de un mismo grupo, por ejemplo aminoácidos distintos, o azúcares distintos.

BLOQUE 5

193

Macromoléculas naturales. Composición química de los seres vivos. En la composición química de los seres vivos se encuentran desde sencillos iones inorgánicos, hasta complejas macromoléculas orgánicas siendo todos igualmente importantes para constituir, mantener y perpetuar la vida. Las biomoléculas son por lo general cadenas de pequeñas moléculas, y/o de átomos de distintos elementos químicos, que constituyen formas tridimensionales específicas, a cada una de las cuales corresponde una función específica.

En particular en este curso se abordan los carbohidratos, lípidos y proteínas, los ácidos nucleicos serán estudiados en los cursos de Biología en próximos semestres. Carbohidratos. Los carbohidratos se conocen también como glúcidos (en un tiempo se pensó que eran hidratos de carbono debido a su composición), son compuestos comúnmente conocidos como azúcares, están formados por carbono, hidrógeno y oxígeno; se representan en general por la fórmula Cn(H2O)n, “n” es el número de veces que aparece el átomo de carbono. Los azúcares también llamados sacáridos, son compuestos sólidos cristalinos, que presentan sabor dulce. Se encuentran muy difundidos en la naturaleza, en los vegetales y animales. Forman parte de tejidos, de sostén para las plantas, son fuentes de energía para plantas y animales y precursores de otros compuestos biológicos. Químicamente se definen como polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas; es decir, compuestos que presentan en su estructura varios grupos hidroxilo y la función aldehído o la función cetona. Clasificación de los carbohidratos. Los glúcidos, azucares o sacáridos, con base en el número de unidades que los constituyen, se clasifican en:   

Monosacáridos: constituidos por un azúcar simple, unidad más simple. Oligosacáridos: Se forman de la unión de 2 a 10 unidades de monosacáridos. Polisacáridos: formados por cadenas compuestas de muchas unidades de monosacáridos (más de 10). Estas cadenas pueden ser lineales o ramificadas.

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IDENTIFICA LA IMPORTANCIA DE LAS MACROMOLÉCULAS NATURALES Y SINTÉTICAS

Los monosacáridos, son los monómeros de los carbohidratos. Se presentan como sustancias blancas, con sabores dulces, cristalizables y solubles en agua. Se oxidan fácilmente, transformándose en ácidos, por lo que se dice que poseen poder reductor (cuando se oxidan, reducen a otra molécula). Se clasifican en base a dos criterios: Grupo funcional Número de átomos de carbono De acuerdo con su función química, se distinguen en aldosas cuando contienen el grupo funcional aldehído y cetosas cuando el grupo funcional es una cetona.

La nomenclatura de los monosacáridos tiene relación con el número de átomos de carbono que presentan: Según el número de carbonos, un monosacárido será una triosa (3C), tetrosa (4C), pentosa (5C), hexosa (6C) o heptosa (7C). Además se les agrega el prefijo ceto o aldo de acuerdo a la función que posean.

BLOQUE 5

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Las pentosas y las hexosas suelen formar estructuras cíclicas. La formación de estos anillos es espontánea y las formas abiertas y cerradas están en equilibrio. Las aldohexosas generan anillos de seis lados llamados pirano (hexágono) y las cetohexosas forman anillos furano, de cinco lados (pentágono). La estructura lineal recibe el nombre de Proyección de Fischer; la estructura ciclada de Proyección de Haworth. En el siguiente esquema se representa la transformación de una aldosa lineal a una forma cíclica.

El carbono que antes era simétrico ahora es asimétrico. Por lo tanto caben dos posibilidades, una que el OH esté hacia abajo, a esta posición se le conoce como la forma alfa ( ), la otra es que el OH se encuentra hacia arriba y se le llama forma beta ( ) A continuación la siguiente figura muestra la formación del ciclo en una cetosa. La posición alfa y beta se nombran de la misma forma.

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IDENTIFICA LA IMPORTANCIA DE LAS MACROMOLÉCULAS NATURALES Y SINTÉTICAS

Monosacáridos de importancia biológica. Los carbohidratos de mayor importancia biológica son los de cinco y seis carbonos. Las principales hexosas son la glucosa, fructuosa y galactosa. La glucosa, aldohexosa conocida con el nombre de dextrosa; es el azúcar más importante. También se le llama “azúcar de la sangre”; ya que es la más abundante además de ser transportada por el torrente sanguíneo a todas las células del organismo. La concentración normal de glucosa en la sangre es de 70 a 90 mg/ 100ml, cuando se rebasan los límites establecidos es uno de los síntomas de una enfermedad conocida como diabetes. Las pentosas como la ribosa y desoxirribosa, forman parte de los ácidos nucleicos (ADN y ARN) y de la molécula de ATP. Aunque son muy diversas las biomoléculas que contienen energía almacenada en sus enlaces, es el ATP (adenosín trifosfato) la molécula que interviene en todos los intercambios de energía que se llevan a cabo en las células; por ello se le califica como "moneda universal de energía"

Problemas de consumo de carbohidratos. Debido a que el exceso de carbohidratos en la dieta provoca la formación de grandes depósitos de lípidos (obesidad) combinado esto con una vida sedentaria y a una serie de condiciones fisiológicas y genéticas. Se han desarrollado algunos edulcorantes artificiales que producen poca energía (y por tanto pocos lípidos) para endulzar algunos productos, algunos de estos sustitutos son el aspartamo, la sucralosa (Splenda®) y el acesulfame de potasio.

Oligosacáridos. Son cadenas de monosacáridos de 2 hasta 10 unidades de monosacáridos, la unión de los monosacáridos tiene lugar mediante enlaces glucosídicos. En forma más general, a esta unión se le denomina enlace glucosídico, un enlace de cualquier carbohidrato no solo de la glucosa.

En la formación del enlace glucosídico reaccionan los hidroxilos (OH) de los monosacáridos subsecuentes, formando una molécula de agua, desprendiéndose una molécula de agua por cada unión glucosídica. Las unidades de monosacáridos quedan unidos por un oxigeno (el que sobro en la formación de la molécula de agua). Los oligosacáridos son moléculas con sabor generalmente dulce, que provienen de diferentes fuentes biológicas y que tienen un valor importante como componentes de la dieta humana. Los oligosacáridos más abundantes son los disacáridos, formados por dos monosacáridos, iguales o distintos. Los disacáridos más comunes son sacarosa, lactosa y maltosa. La sacarosa o azúcar de mesa es una combinación de glucosa y fructuosa se obtiene en forma natural, tanto en la remolacha, la caña de azúcar y el sorgo. Se utiliza para endulzar bebidas, en la fabricación de vinos, alcoholes, vinagres, dulces, pasteles, etc. Su estructura se muestra en la siguiente figura: Azúcar refinada dulce veneno.

BLOQUE 5

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La maltosa es azúcar de malta, grano germinado de cebada el cual es utilizado para elaborar cerveza. Su obtención es por medio de hidrólisis de almidón y glucógeno tiene dos moléculas de glucosa unidas por un enlace tipo (1-4). Su estructura es:

La lactosa es el disacárido formado por galactosa y glucosa. Se trata de un azúcar también abundante en la naturaleza, es el disacárido responsable del contenido de azúcares de la leche y por tanto todos los alimentos elaborados a base de leche contienen cierta proporción de este azúcar. En los niños y mamíferos jóvenes en general, este es el componente que representa prácticamente toda la ingestión de carbohidratos, ya que todos los mamíferos incluyendo al hombre, se alimentan de leche en las primeras etapas de su vida. En los humanos es necesaria la presencia de la enzima lactasa para la correcta absorción de la lactosa. Cuando el organismo no es capaz de asimilar correctamente la lactosa aparecen diversas molestias cuyo origen se denomina intolerancia a la lactosa. La estructura de la lactosa es:

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IDENTIFICA LA IMPORTANCIA DE LAS MACROMOLÉCULAS NATURALES Y SINTÉTICAS

Polisacáridos. Los polisacáridos son azúcares de alto peso molecular que contienen un gran número de unidades de monosacáridos (monómeros) unidas por enlaces glucosídicos. Hay dos tipos principales de polisacáridos. El primero comprende moléculas formadas por monosacáridos iguales, el de los homopolisacáriddos, los cuales, ya sean de origen animal o vegetal, representan fundamentalmente materiales de reserva energética de los seres vivos para realizar funciones en condiciones en las cuales no es posible obtener azúcares a través de la alimentación. Así sucede en las plantas, que almacenan cantidades grandes de polisacáridos que utilizan luego en la germinación hasta que aparezcan las hojas que les permitirán sintetizar los azúcares por medio de la fotosíntesis. Este hecho representa una circunstancia de provecho para los animales, que pueden apropiarse de los materiales de reserva para su nutrición. Los carbohidratos, principalmente en forma de polisacáridos, son los componentes más abundantes de la dieta de la mayoría de los animales. Los principales homopolisacáridos son el almidón, la celulosa y el glucógeno, formados por unidades de glucosa. Almidón El almidón es la forma principal de almacenamiento de glucosa en la mayoría de los vegetales. Es elaborado por las plantas verdes durante la fotosíntesis. Forma parte de las membranas celulares de todas las plantas y de las fibras de las plantas rígidas. A su vez, sirve como almacén de energía en las plantas, liberando energía durante el proceso de oxidación en dióxido de carbono y agua. Los gránulos de almidón de las plantas presentan un tamaño, forma y características específicos del tipo de planta en que se ha formado el almidón. Existe en dos formas, ambas formadas por glucosa. La amilosa, que constituye el 20% del almidón ordinario, los monosacáridos (glucosa) están dispuestos en forma de cadena continua y rizada, semejante a un rollo de cuerda, unidas entre sí por enlaces glucosídicos 1-4. La estructura resultante es:

En el segundo tipo, la amilopectina, es una versión ramificada de la amilosa, Además de los enlaces (1- 4), contiene puntos de ramificación en los cuales hay enlaces (1- 6). Estas uniones se muestran en la siguiente estructura.

BLOQUE 5

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Glucógeno. La forma principal en que se almacena la glucosa en los animales es el glucógeno. Su estructura es muy semejante a la amilopectina, salvo que es más ramificada (una ramificación cada 8 o 10 unidades de glucosa) Se almacena en el hígado y tejidos musculares. Celulosa. La celulosa es un polisacárido, blanco, amorfo, resistente a casi todos los disolventes, ya que es insoluble en agua y constituye el armazón de las paredes celulares de todas las plantas, proporcionando estructura física y fuerza; es especialmente abundante en los tejidos leñosos de los vegetales. Su estructura difiere del almidón y el glucógeno porque sus unidades están unidas por enlaces 1-4, posición que se observa en la siguiente figura.

La celulosa no puede ser digerida en el tracto digestivo humano, ya que carece de las enzimas necesarias para hidrolizar el enlace beta, por ello no puede utilizarse para obtener energía; la celulosa constituye, para el hombre, la fibra no digerible, necesaria para que se produzca un buen tránsito intestinal. En el caso de los rumiantes, son las bacterias que habitan en su rumen (estomago) las que sintetizan celulasas capaces de hidrolizar la celulosa, liberando glucosa que puede utilizarse como alimento. De forma similar, las termitas pueden digerir la madera gracias a las bacterias de su tracto digestivo, que secretan celulasas. Los hongos que habitan sobre la madera en putrefacción también producen celulasas. El segundo grupo esta formado por los llamados heteropolisacáridos, llamados también mucopolisacáridos, son sustancias de peso molecular elevado formadas por más de un tipo de monosacáridos. Dentro de este tipo de sustancias se encuentran moléculas con muy diversas funciones. Los mucopolisacáridos son compuestos estructurales de cartílago, hueso, córnea, piel, paredes de vasos sanguíneos, y otros tejidos conectivos. También cumplen función de sostén, nutrición y comunicación intercelular.

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IDENTIFICA LA IMPORTANCIA DE LAS MACROMOLÉCULAS NATURALES Y SINTÉTICAS

Actividad: 2 Realiza una investigación bibliográfica que te ayude a completar la información sobre carbohidratos y sus principales aplicaciones, para que posteriormente puedas completar una tabla, que contenga la siguiente información.

Tipo de carbohidrato

Ejemplos

Productos de origen natural en los que se encuentran

Funciones biológicas y aplicaciones.

Monosacáridos, disacáridos y polisacáridos

La información registrada se compartirá con el resto del grupo.

Actividad: 2 Conceptual Clasifica los carbohidratos.

Autoevaluación

BLOQUE 5

Evaluación Producto: Tabla. Puntaje: Saberes Procedimental Actitudinal Distingue ejemplos de productos Reflexiona sobre el consumo de que contienen carbohidratos. productos ricos en carbohidratos. Explica las funciones de los carbohidratos. C MC NC Calificación otorgada por el docente

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Lípidos. Los lípidos (del griego lipos = grasas) constituyen una de las tres clases principales de productos alimenticios, los otros dos son los carbohidratos y las proteínas, e intervienen en procesos biológicos importantes. Son biomoléculas formadas básicamente por carbono e hidrógeno, un bajo número de átomos de oxígeno y algunas de ellas contienen átomos de nitrógeno, fósforo y azufre. Incluyen compuestos muy diversos desde el punto de vista de su composición química, pero poseen características físicas y biológicas comunes. Una característica fundamental de este grupo de moléculas es su enlace no polar, lo que las hace insolubles en agua y soluble en disolventes no polares como el cloroformo, el éter, benceno, etc. Los lípidos son compuestos naturales que se encuentran en las plantas y animales. En los vegetales en forma de aceites y ceras y en animales aceites y grasas.

CH2

Las grasas y aceites (lípidos) son mezclas de ésteres de ácidos grasos con el glicerol, por ello se denominan glicéridos. Esta denominación es porque son considerados derivados del glicerol. El estado físico de los glicéridos depende de la estructura de los ácidos grasos presentes, es decir, en las mantecas (sólidos) los ácidos grasos tienen cadenas saturadas; mientras que en los aceites (líquidos) las cadenas de los ácidos grasos presentan insaturaciones (dobles enlaces).

Los ácidos grasos son moléculas formadas por una larga cadena hidrocarbonada de tipo lineal con un número par de átomos de carbono, esto debido a que en el metabolismo celular las cadenas de los ácidos grasos se forman enlazando unidades de dos carbonos. Tienen en un extremo de la cadena un grupo carboxilo (-COOH). Los ácidos grasos poseen una zona hidrófila, el grupo carboxilo (-COOH) y una zona lipófila, la cadena hidrocarbonada que presenta grupos metileno (-CH2-) y grupos metilo (-CH3) terminales. Por eso las moléculas de los ácidos grasos son anfipáticas, pues por una parte, la cadena alifática es apolar y por tanto, soluble en disolventes orgánicos (lipófila), y por otra, el grupo carboxilo es polar y soluble en agua (hidrófilo). La saponificación es una reacción típica de los ácidos grasos, presentes en la molécula de la grasa animal (manteca) o de la grasa vegetal (aceites), en la cual reaccionan con álcalis (bases) y dan lugar a una sal de ácido graso, que se denomina jabón. Las moléculas de jabón presentan simultáneamente una zona lipófila o hidrofoba, que rehúye el contacto con el agua, y una zona hidrófila o polar, que se orienta hacia ella, lo que se denomina comportamiento anfipático.

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IDENTIFICA LA IMPORTANCIA DE LAS MACROMOLÉCULAS NATURALES Y SINTÉTICAS

Clasificación de los lípidos. Los lípidos son un grupo muy heterogéneo que usualmente se clasifican en dos, atendiendo a que posean en su composición ácidos grasos (lípidos saponificables) o no lo posean (lípidos insaponificables). Los lípidos saponificables a su vez se clasifican en lípidos simples y complejos. 

Simples: son lípidos saponificables en cuya composición química sólo intervienen carbono, hidrógeno y oxígeno. Se dividen en acilglicéridos y céridos.

Acilglicéridos, también se les llama glicéridos o grasas simples. Se forman por la esterificación de una, dos o tres moléculas de ácidos grasos con una molécula de glicerina. Según el número de ácidos grasos, se distinguen tres tipos de estos lípidos: • Los monoglicéridos, que contienen una molécula de ácido graso. • Los diglicéridos, con dos moléculas de ácidos grasos. • Los triglicéridos, con tres moléculas de ácidos grasos.

Los glicéridos cuando presentan cadenas carbonadas saturadas reciben la denominación de mantecas. Los aceites se caracterizan por presentar instauraciones o sea la presencia de dobles enlaces en las cadenas de los ácidos grasos que forman la estructura del glicérido. Los triglicéridos es el tipo principal de grasa generado por el organismo. Esta grasa se usa en el organismo para generar energía. Los triglicéridos además se encuentran presentes en los alimentos y en la sangre. Niveles elevados de triglicéridos están relacionados con el riesgo de alguna enfermedad cardiaca, además de estar asociado con altos niveles de colesterol. La ingesta de calorías usualmente estimula la producción del colesterol y ayuda a transportar triglicéridos que no se usa, como energía. Causas comunes de los triglicéridos altos son la obesidad, la diabetes, el abuso de alcohol y azúcares, las enfermedades renales, trastornos genéticos al procesar grasa. Cómo eliminar los triglicéridos altos. Un buen consejo es tener una dieta baja en grasa y alimentos con bajo índice glicérico. No es recomendable eliminar la grasa totalmente de la comida, pero es bueno eliminar las comidas fritas, carnes elevadas en grasa y también es bueno limitar la repostería.

BLOQUE 5

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Céridos. Las ceras son mezclas de ésteres de alta masa molecular, constituidas por ácidos grasos y alcoholes monohidroxilados. Son abundantes en la naturaleza, pueden ser obtenidas de fuentes animales y vegetales; como ejemplos de ellas tenemos la cera de abeja, la cera de carnauba, la lanolina, en los árboles forestales se puede encontrar la cera del follaje de conífera, la cera de frutas como la pera y la manzana.

 Complejos: Son lípidos saponificables en cuya estructura molecular además de carbono, hidrógeno y oxígeno, hay también nitrógeno, fósforo, azufre o un glúcido. Son las principales moléculas constitutivas de la doble capa lipídica de la membrana, por lo que también se llaman lípidos de membrana. Son también moléculas anfipáticas. Se clasifican en fosfolípidos y glucolípidos. Fosfolípidos. Se caracterizan por presentar un ácido ortofosfórico en su zona polar. Son las moléculas más abundantes de la membrana citoplasmática. Son un tipo de lípidos, compuestos por un glicerol al que se le unen dos ácidos grasos y un grupo fosfato. El grupo fosfato lleva otro grupo de átomos, que frecuentemente contienen nitrógeno. Una capa doble de fosfolípidos se encuentra en todas las membranas celulares. La lecitina y cefalina son dos tipos de fosfoglicérido que se encuentran principalmente en el cerebro, en las células nerviosas, en el hígado, yema de huevo, germen de trigo, levadura, soya y otros materiales.

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IDENTIFICA LA IMPORTANCIA DE LAS MACROMOLÉCULAS NATURALES Y SINTÉTICAS

Glucolípidos. Son lípidos complejos que se caracterizan por poseer un glúcido o carbohidrato. Se encuentran formando parte de las bicapas lipídicas de las membranas de todas las células, especialmente de las neuronas. Se sitúan en la cara externa de la membrana celular, en donde realizan una función de relación celular, siendo receptores de moléculas externas que darán lugar a respuestas celulares. Entre los glucolípidos más comunes están los cerebrósidos y gangliósidos. Las principales funciones de los glucolípidos son la del reconocimiento celular y como receptores antigénicos. Lípidos insaponificables. Son los lípidos que no poseen ácidos grasos en su estructura y no producen reacciones de saponificación. Entre los lípidos insaponificables se encuentran los terpenos, esteroides y prostaglandinas. Terpenos. Son moléculas lineales o cíclicas que cumplen funciones muy variadas, entre las que se pueden citar: esencias vegetales como el mentol, el geraniol, alcanfor, eucaliptol y vainillina. Vitaminas, como la A, E, K. Pigmentos vegetales como la carotina y xantofila. Esteroides. Son lípidos que derivan del esterano, que se compone de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, también de cuatro anillos fusionados de carbono que poseen diversos grupos funcionales y tienen partes hidrofílicas e hidrofóbicas. En los mamíferos como el ser humano, cumplen importantes funciones: reguladora, estructural y hormonal. El colesterol es un esteroide que forma la estructura de las membranas de las células junto con los fosfolípidos. Además, a partir del colesterol se sintetizan los demás esteroides. Hormonas sexuales. Entre las hormonas sexuales se encuentran la progesterona, que prepara los órganos sexuales femeninos para la gestación, los estrógenos que son los responsables de los caracteres sexuales femeninos y la testosterona que es responsable de los caracteres sexuales masculinos. Hormonas suprarrenales. Entre las hormonas suprarrenales se encuentra la cortisona, que actúa en el metabolismo de los glúcidos, regulando la síntesis de glucógeno. Algunas regulan los niveles de sal y la secreción de bilis. En la siguiente figura se muestran las estructuras de varios esteroides.

BLOQUE 5

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Prostaglandinas. Su nombre procede de “próstata”, donde fueron aisladas por primera vez, pero se encuentran ubicadas en diferentes partes del organismo. Estos lípidos presentan gran importancia en medicina por sus múltiples efectos fisiológicos, entre los que destacan la contracción del músculo liso y la disminución de la presión sanguínea, que las ejercen a concentraciones muy bajas. Intervienen en la regulación de la temperatura corporal. Se sintetizan en vivo a partir de ácidos grasos insaturados, y algunos medicamentos anti-inflamatorios como la aspirina inhiben su formación, ya que intervienen en el dolor. En medicina se emplean en la inducción del parto e inhibición de secreción gástrica. Estructuralmente todas derivan del Ácido 15-hidroxi -13- trans - prostenoico, un ácido graso de 20 átomos de C que tiene un doble enlace extra que provoca que se forme un anillo de ciclopentano que se forma entre los C 8 y 12, con un OH.

Funciones de los lípidos. Los lípidos desempeñan diferentes tipos de funciones biológicas: Función de reserva energética: Los lípidos son la principal fuente de energía de los animales ya que un gramo de grasa produce 9,4 kilocalorías en las reacciones metabólicas de oxidación, mientras que las proteínas y los glúcidos sólo producen 4,1 kilocalorías por gramo. Función estructural: Los lípidos forman las bicapas lipídicas de las membranas celulares. Además recubren y proporcionan consistencia a los órganos y protegen mecánicamente estructuras o son aislantes térmicos como el tejido adiposo. Función catalizadora, hormonal o de mensajeros químicos: Los lípidos facilitan determinadas reacciones químicas y los esteroides cumplen funciones hormonales. Función transportadora: Los lípidos se absorben en el intestino gracias a la emulsión de las sales biliares y el transporte de lípidos por la sangre y la linfa se realiza a través de las lipoproteínas.

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IDENTIFICA LA IMPORTANCIA DE LAS MACROMOLÉCULAS NATURALES Y SINTÉTICAS

Actividad: 3 Lee el tema “Lípidos” en tu módulo y organiza la información en una tabla que contenga datos sobre su composición, clasificación, principales funciones, ejemplos y fuentes naturales. Analicen en el grupo los resultados.

Tipo de carbohidrato

Composición Clasificación

Ejemplos

Fuente natural

Función

Grasas

Saponificable, simple

Manteca

Grasa animal

Fuente de energía

Aceites Ceras Fosfolípidos Glucolipidos Prostaglandinas Terpenos Esteroides

Actividad: 3 Conceptual Clasifica a los lípidos.

Autoevaluación

BLOQUE 5

Evaluación Producto: Tabla. Saberes Procedimental Distingue ejemplos de productos que contienen lípidos. Explica las funciones de los lípidos. C

MC

NC

Puntaje: Actitudinal Reflexiona sobre el consumo de productos ricos en lípidos.

Calificación docente

otorgada

por

el

207

Proteínas. Las macromoléculas estudiadas anteriormente intervienen en una serie de procesos bioquímicos que tienen que ver con el inicio y desarrollo de la vida. Sin embargo, las proteínas ocupan el papel principal en estos procesos biológicos y constituyen los compuestos más abundantes (después del agua) e importantes de los animales y, en menor grado, en los vegetales. Son biomoléculas formadas por carbono, hidrógeno y nitrógeno principalmente, pueden además contener azufre y en algunos tipos de proteínas, fósforo, hierro, magnesio y cobre entre otros elementos. Estos compuestos se encuentran en todas las células y son material principal de la piel, pelo, uñas, músculos, nervios, tendones, sangre, enzimas, etc., por esta razón a estos polímeros biológicos se les denominó proteína, que proviene de la palabra griega proteios, y significa lo primero, es decir, sustancia de la vida. Químicamente, las proteínas están formadas por la unión de muchas moléculas relativamente sencillas y no hidrolizables, denominadas aminoácidos (aa) los cuales están unidos mediante enlaces peptídicos. Estos compuestos químicamente son alfa aminoácidos, lo que significa que como parte de su función química es la función ácido carboxilo y en el carbón alfa unido la función del grupo amino, el resto de la estructura se representa con la letra R-, lo que significa que puede ser diferente. En la materia viva es de carácter primordial la presencia de las proteínas, y en este tipo de macromoléculas se han identificado 20 clases diferentes de alfa aminoácidos. De estos 20 aminoácidos, 10 de ellos el organismo humano los puede sintetizar por lo que no es esencial que estén presentes en la dieta, pero hay otros 10 que el organismo humano no puede sintetizar por lo que es de carácter esencial que estén presentes en la dieta.

Reacción de formación del enlace peptídico.

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IDENTIFICA LA IMPORTANCIA DE LAS MACROMOLÉCULAS NATURALES Y SINTÉTICAS

Una proteína contiene cientos de unidades de aminoácidos (que pueden ser diferentes). Con los veinte aminoácidos distintos que existen, pueden hacerse múltiples combinaciones para formar moléculas de proteínas; es decir, el número de proteínas que se puede formar es inmensamente grande. Por lo que cada organismo requiere de tener los aminoácidos necesarios para sintetizar su propia proteína. Los aminoácidos esenciales son introducidos al organismo vía alimentos que los contienen en la estructura proteica presente en la dieta, y que en el proceso de digestión son liberados. El requerimiento diario de proteínas para un adulto es de 30 g/día. El consumo de alimentos con valor bajo de proteínas trae como consecuencia una dieta mal balanceada y una serie de trastornos que provocan enfermedades, como el raquitismo. Clasificación de las proteínas. La clasificación de las proteínas se realiza desde varios puntos de vista, así: Según su composición: Proteínas simples u Holoproteínas: Las cuales están formadas exclusivamente o predominantemente por aminoácidos. A su vez se dividen de acuerdo con su morfología y solubilidad en: 

Proteínas fibrosas: son insolubles en agua, presentan formas moleculares alargadas, con un número variado de cadenas polipeptídicas que constituyen fibras resistentes, con cierto grado de elasticidad, fragilidad o ductilidad. Funcionan como proteínas estructurales o de soporte. Las más comunes son: elastina, colágeno, queratina, fibrina, etc.



Proteínas Globulares: Tienden a ser más solubles en agua, debido a que su superficie es polar. Sin embargo, pueden presentar mayor solubilidad en otros solventes como soluciones salinas, ácidos o bases diluidas o alcohol. Su estructura es compacta con formas casi esféricas. La mayoría de las proteínas conocidas son globulares, dentro de las que se consideran todas las enzimas, las proteínas del plasma y las presentes en las membranas celulares.

A su vez las proteínas globulares se pueden clasificar de acuerdo con su solubilidad en: 

Albúminas: Proteínas fácilmente solubles en agua, que coagulan con el calor y precipitan con las soluciones salinas saturadas. Por ejemplo la lactoalbúmina, albúmina del suero, la ovoalbúmina (presente en la clara del huevo).



Globulinas: Escasamente solubles en agua pura, pero solubles en soluciones salinas diluidas como cloruro de sodio, entre ellas se encuentran las seroglobulinas (sangre), ovoglobulina, inmunoglobulinas, etc.



Glutelinas: Solubles en ácidos y bases diluidos, insolubles en solventes neutros. Ejemplo: La glutenina del trigo.



Prolaminas: Solubles en alcohol del 70 al 80%, insolubles en agua, alcohol absoluto y otros solventes neutros, como la Zeína del maíz y la Gliadina del trigo.

BLOQUE 5

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Proteínas conjugadas o heteroproteínas: Poseen un componente de proporción significativa no aminoacídico que recibe el nombre de grupo prostético. Según la naturaleza de este grupo consideramos:  Glicoproteínas: se caracterizan por poseer en su estructura a azúcares. Se pueden citar como ejemplo: las inmunoglobulinas, algunas proteínas de membrana, el colágeno y otras proteínas de tejidos conectivos.  Lipoproteínas: proteínas conjugadas con lípidos que se encuentran en las membranas celulares o bien proteínas transportadoras de lípidos en el medio acuoso de la sangre o de la linfa.  Nucleoproteínas: se presentan unidas a un ácido nucleico, como en los cromosomas, ribosomas y en los virus.  Metaloproteínas: contienen en su molécula uno o más iones metálicos que no constituyen un grupo hem. Por ejemplo algunas enzimas.  Hemoproteínas o Cromoproteínas: proteínas que tienen en su estructura un grupo hem. Ejemplo: Hemoglobina, Mioglobina y ciertas enzimas como los citocromos. Holoproteínas

Proteínas fibrosas Proteínas globulares Cromoproteínas

Proteínas Heteroproteínas

Lipoproteínas Nucleoproteínas Fosfoproteínas

De acuerdo con su función biológica: Proteínas estructurales: Forman parte de células y tejidos a los que confieren apoyo estructural. Dentro de ellas se pueden citar, el colágeno y la elastina presentes en el tejido conectivo de los vertebrados. La queratina presente en la piel, pelo y uñas. Proteínas de transporte: Como su nombre lo indica, transportan sustancias como el oxígeno en el caso de la hemoglobina y la mioglobina, ácidos grasos en el caso de la albúmina de la sangre, o las que realizan un transporte a través de la membrana celular. Proteínas de defensa: Protegen al organismo contra posibles ataques de agentes extraños, entre las que se consideran los anticuerpos (inmunoglobulinas) de la fracción gamma globulínica de la sangre, las proteínas denominadas interferones cuya función es inhibir la proliferación de virus en células infectadas e inducir resistencia a la infección viral en otras células, el fibrinógeno de la sangre importante en el proceso de coagulación. Proteínas hormonales: Se sintetizan en un tipo particular de células pero su acción la ejercen en otro tipo. Ejemplo, la insulina. Proteínas como factores de crecimiento: Su función consiste en estimular la velocidad de crecimiento y la división celular. Como ejemplo se puede citar la hormona de crecimiento y el factor de crecimiento derivado de plaquetas. Proteínas catalíticas o enzimas: Permiten aumentar la velocidad de las reacciones metabólicas. Dentro de las células son variadas y se encuentran en cantidad considerable para satisfacer adecuadamente sus necesidades. Entre otras se consideran las enzimas proteolíticas cuya función es la degradación de otras proteínas, lipasas, amilasas, fosfatasas, etc.

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IDENTIFICA LA IMPORTANCIA DE LAS MACROMOLÉCULAS NATURALES Y SINTÉTICAS

Proteínas contráctiles: son proteínas capaces de modificar su forma, dando la posibilidad a las células o tejidos que estén constituyendo de desplazarse, contraerse o relajarse razón por la cual se encuentran implicadas en los diferentes mecanismos de motilidad. Las proteínas más conocidas de este grupo son la actina y la miosina. Proteínas receptoras: proteínas encargadas de combinarse con una sustancia específica. Si se encuentran en la membrana plasmática, son las encargadas de captar las señales externas o simplemente de inspeccionar el medio. Se encuentran en las membranas de los organelos, permiten su interacción. Sin embargo, no son proteínas exclusivas de membrana ya que algunas se encuentran en el citoplasma. El ejemplo más típico de éstas son los receptores de las hormonas esteroides. Casi todos los neurotransmisores, la mayoría de las hormonas y muchos medicamentos funcionan gracias a la presencia de estas proteínas. Proteínas de transferencia de electrones: son proteínas integrales de membrana, comunes en las mitocondrias y cloroplastos cuya función se basa en el transporte de electrones desde un donador inicial hasta un aceptor final con liberación y aprovechamiento de energía. Como ejemplo se citan a los citocromos que hacen parte de la cadena respiratoria. Estructura de las proteínas. Por la complejidad estructural de las proteínas, para facilitar su estudio se han establecido cuatro niveles que son: primario, secundario, terciario y cuaternario. La estructura primaria se refiere al orden en que se encuentran los aminoácidos dentro de la molécula proteica. Dada la naturaleza de cada aminoácido este orden determina los siguientes niveles estructurales. En una proteína pueden existir 20 aminoácidos diferentes, por lo tanto el número de diferentes proteínas puede ser infinito. Las cadenas proteicas más pequeñas tienen entre 25 y 100 aminoácidos, como ocurre en el caso de las de algunas hormonas o de alguna proteína pequeña como la ferredoxina, enzima que interviene en la fotosíntesis. Las cadenas proteicas más típicas están compuestas por unos 100 - 500 aminoácidos y las más largas llegan a tener hasta 3000 monómeros. Los aminoácidos, a medida que van siendo enlazados durante la síntesis de proteínas y gracias a la capacidad de giro de sus enlaces, adquieren una disposición espacial estable. A estas conformaciones se les conoce como estructura secundaria. Existen dos tipos de estructura secundaria la hélice alfa y la conformación beta. La estructura de hélice se forma al enrollarse helicoidalmente sobre sí misma la estructura primaria. En la disposición beta los aminoácidos no forman una hélice, sino una cadena en zigzag. La estructura terciaria informa sobre la disposición de la estructura secundaria de un polipéptido al plegarse sobre sí misma, originando una conformación globular. Esta conformación globular facilita la solubilidad en agua y por ello la realización de funciones de transporte, enzimáticas, hormonales, etc. La estructura terciaria se mantiene estable gracias a la existencia de enlaces entre los radicales (R) de los aminoácidos. Los enlaces que aparecen son puente de disulfuro entre los radicales de aminoácidos que contienen azufre, los puentes de hidrógeno, puentes eléctricos y las interacciones hidrófobas. La estructura cuaternaria es la forma total de una proteína integrada por diferentes subunidades. Muestra la unión, mediante enlaces débiles (no covalentes) de varias cadenas polipeptídicas con estructura terciaria, para formar un complejo proteico. Cada una de estas cadenas polipeptídicas recibe el nombre de protómero. El número de protómeros varía desde dos como en la hexoquinasa, cuatro en la hemoglobina, o muchos como la cápsida del virus de la poliomielitis, que consta de 60 unidades proteicas.

BLOQUE 5

211

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IDENTIFICA LA IMPORTANCIA DE LAS MACROMOLÉCULAS NATURALES Y SINTÉTICAS

Actividad: 4 Lee el tema “Proteínas” y responde los siguientes cuestionamientos Comparte tus respuestas con el resto del grupo. ¿Qué son los aminoácidos esenciales?

¿Cómo se clasifican las proteínas?

¿Qué información se obtiene de cada nivel estructural de una proteína?

¿Qué es una proteína desnaturalizada?

¿Por qué son tan importantes las proteínas para los seres vivos?

Actividad: 4 Conceptual Identifica los componentes, clasificación y función de las proteínas. Autoevaluación

BLOQUE 5

Evaluación Producto: Cuestionario. Saberes Procedimental Explica la función e importancia de las proteínas para los seres vivos. C

MC

NC

Puntaje: Actitudinal Muestra seguridad en el intercambio de respuestas.

Calificación docente

otorgada

por

el

213

Cierre Actividad: 5 Explica la formación del enlace: glucosídico, éster y peptídico. Realiza un diagrama para cada caso y menciona en que moléculas se presenta.

Actividad: 5 Conceptual Diferencia los enlaces glucosídico, éster y peptídico. Autoevaluación

214

Evaluación Producto: Diagrama. Saberes Procedimental Explica la formación de los enlaces. C

MC

NC

Puntaje: Actitudinal Realiza las labores escolares en forma ordenada y precisa.

Calificación docente

otorgada

por

el

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Actividad: 6 Realiza una investigación que te ayude a completar la información abordada en este módulo y responde lo que se te solicita a continuación. ¿Cuáles son las unidades básicas (monómeros) que se unen para formar a los polisacáridos y las proteínas?

Explica la importancia de las macromoléculas naturales (carbohidrato, lípidos y proteínas) para la salud.

Revisa información sobre las recomendaciones para una alimentación saludable y analiza si tus hábitos alimenticios son los adecuados. Escribe tu reflexión.

Investiga y escribe una breve descripción de las enfermedades: diabetes, galactosemia y obesidad.

Actividad: 6 Conceptual Describe la importancia de los carbohidratos, lípidos y proteínas en relación al cuidado de la salud.

Autoevaluación

BLOQUE 5

Evaluación Producto: Cuestionario. Puntaje: Saberes Procedimental Actitudinal Revisa y selecciona información Muestra interés en adquirir sobre macromoléculas naturales. hábitos saludables de Explica la relación de las alimentación. macromoléculas naturales en el cuidado y mantenimiento de la salud. C MC NC Calificación otorgada por el docente

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Secuencia didáctica 2. Macromoléculas sintéticas. Inicio Actividad: 1 Responde el siguiente cuestionario. Al finalizar comparte tus respuestas con tus compañeros de clase. 1.

¿Qué significa la palabra polímero?

2.

¿Te resultan comunes los términos: PVC, teflón, bakelita, polietileno y poliestireno? Escribe lo que sabes de ellos.

3.

Menciona los usos de los plásticos en tu vida diaria.

4.

¿Por qué se recomienda reducir el uso de bolsas de plástico y reciclar los envases plásticos de diversos productos?

Actividad: 1 Conceptual Identifica el uso de plásticos (polímeros) en su vida diaria. Autoevaluación

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Evaluación Producto: Cuestionario. Saberes Procedimental Analiza los beneficios e impactos del uso de plásticos. C

MC

NC

Puntaje: Actitudinal Se expresa con claridad y exactitud.

Calificación docente

otorgada

por

el

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Desarrollo Las macromoléculas artificiales intervienen en todo aspecto de la vida moderna, de manera que es difícil imaginar un mundo sin polímeros. Tenemos las fibras textiles para vestido, alfombrado y cortinas, zapatos, juguetes, partes de automóviles, materiales para la construcción, trajes especiales como los de bomberos, utensilios de cocina, resinas, nylon y la lista podría seguir. Todos estos productos que se consideran esenciales en la vida diaria, se fabrican completamente o en parte por polímeros. La mayor parte de los materiales derivados de los polímeros se obtienen del petróleo. Como éste es un recurso natural no renovable, la dependencia de los polímeros es otra buena razón para no despilfarrar su limitada reserva mundial. Al proceso de formar moléculas muy grandes, de alta masa molecular, a partir de unidades más pequeñas se le llama polimerización. La molécula o unidad grande se llama polímero y la unidad pequeña se denomina monómero. A los polímeros que contienen más de un tipo de monómero se les llama copolímeros y si presenta una sola unidad se conocen como homopolímero. A algunos polímeros sintéticos se les llama plásticos, por su propiedad de ser moldeados. Aunque no todos los polímeros son moldeables, sin embargo la palabra plástico se ha empleado para designar cualquier sustancia derivada de los polímeros. Los polímeros sintéticos se obtienen por medio de reacciones de adición y de condensación. ¿Cómo se lleva a cabo la polimerización? Los polímeros se forman por la unión de un gran número de unidades monoméricas que se pueden representar a través de una reacción química:

catalizador monómero

polímero

Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad, y en muchos casos, hace posible un proceso químico (como en este caso la reacción de polimerización) sin que se advierta en los productos. Un polímero se nombra por el tipo de monómeros que lo forman precedido del prefijo poli. Por ejemplo, el polietileno es el formado por los monómeros del etileno.

Polimerización. En la polimerización por adición, las unidades de construcción (o monómeros) se adicionan unas a otras de tal manera que el producto polimérico contiene todos los átomos de los monómeros iniciales. En esta reacción no hay subproductos. Son polímeros formados a partir de la unión de moléculas monoméricas insaturadas y con apertura de su doble enlace (insaturación). Un ejemplo es la polimerización del etileno para formar polietileno.

CH2 = CH2

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etileno

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Por medio de presión y calor en presencia de un catalizador se logra que las moléculas de etileno se unan entre sí y formen cadenas largas. La polimerización se puede representar por la reacción de unas pocas unidades monoméricas.

El polietileno es uno de los polímeros más usados en la actualidad. Se encuentra en una gran diversidad de materiales: empaques, aislantes eléctricos, materiales de construcción, etc. Es un termoplástico de bajo costo que puede moldearse de diversas formas hasta formar películas delgadas o para hacer fibras. De acuerdo con la forma de producirlo, se pueden encontrar dos tipos de polietileno, de baja densidad y de alta densidad, conocidos por sus siglas en inglés LDPE y HDPE, respectivamente. Otro ejemplo de polímero de adición es el poliestireno. En un termoplástico muy usado debido a su bajo costo, estabilidad térmica y baja densidad. El poliestireno es un polímero del estireno, generalmente está formado de una 5500 a 6000 unidades. Este polímero tiene la apariencia de una resina clara y transparente que fluye con facilidad.

El PVC (cloruro de polivinilo) se obtiene de la polimerización de cloruro de vinilo. Se encuentra de dos formas: una rígida, que se emplea en la fabricación de tuberías para riego, botellas, techado, juntas y partes automotrices, y otra flexible, para fabricar cortinas para baño, manteles, alambre, cables eléctricos y en tapicería. En una reacción de polimerización por condensación se unen dos moléculas (condensadas) con pérdida simultánea de una pequeña molécula, como la del agua, la del monóxido de carbono, o cloruro de hidrógeno. Estos polímeros se llaman polímeros de condensación y sus productos de descomposición no son idénticos a los de las unidades respectivas del polímero. Casi todos los polímeros de condensación son en realidad copolímeros; es decir, que están formados por dos o más clases de monómeros. Un representante de este grupo es el nylon. Éste fue el primer polímero que pudo hilarse. Desde su descubrimiento, en 1930, se han producido gran cantidad de fibras sintéticas, las cuales han sido importantes en el desarrollo de la industria textil. El nylon 66 se forma a partir de la reacción del ácido adípico y la hexametilendiamina ambos de seis átomos de carbono.

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IDENTIFICA LA IMPORTANCIA DE LAS MACROMOLÉCULAS NATURALES Y SINTÉTICAS

La condensación entre moléculas de glicol (etanodiol) para formar polietilenglicol, la reacción se representa en la siguiente figura. OH – CH2 – CH2 - OH + OH – CH2 – CH2 – OH + OH – CH2 – CH2 – OH + n…. Glicol Glicol Glicol OH – CH2 - [CH2 – O – CH2 – CH2 – CH2 – O –CH2]n – CH2 – OH + nH2O Polietilenglicol La obtención del acetato de etilo es el resultado de la reacción entre el ácido acético (vinagre) y el etano. Uno de los aspectos más interesantes de la química de los polímeros es su gran versatilidad. Las cadenas poliméricas no sólo se encuentran formadas de un tipo único de monómeros. Para lograr una mayor gama de propiedades, se pueden producir polímeros donde exista una combinación de dos, tres o más monómeros diferentes dando como resultado un copolímero. Por ejemplo, el copolímero estireno-acrinonitrilo (SAN) tiene una mayor resistencia química y térmica que el estireno. Sin embargo, no es transparente como el poliestireno. Se usa en artículos de cocina como batidoras o licuadoras y en la fabricación de aspiradoras. Otro copolímero muy usado es el ABS, acrilonitrilo-butadieno-estireno. Es un plástico que combina las propiedades de dureza y alta resistencia mecánica. Se puede combinar con otros plásticos como el PVC, y se obtiene un material de alta resistencia usando en la fabricación de televisores. El ABS se emplea en la producción de partes moldeables para automóviles. Los automóviles fabricados en 1985 usaron un promedio de 12kg de este copolímero para cada unidad. También se usa en los revestimientos de las puertas de refrigeradores.

Clasificación de los Polímeros según sus Propiedades Físicas. Desde un punto de vista general se puede hablar de tres tipos de polímeros: Elastómeros Termoplásticos Termoestables. Los elastómeros son polímeros que tienen propiedades elásticas, es decir, pueden ser estirados hasta doblar muchas veces su tamaño y después regresar a su forma original. Ejemplos, cauchos, siliconas, poliuretanos.

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Los elastómeros y termoplásticos están constituidos por moléculas que forman largas cadenas con poco entrecruzamiento entre sí. Cuando se calientan, se ablandan sin descomposición y pueden ser moldeados. Polímeros termoplásticos que se deforman con temperatura son el polietileno, poliestireno, polipropileno, acrílicos, ABS, PVC, SAN, etc. Los termoestables se preparan generalmente a partir de sustancias semifluidas de peso molecular relativamente bajo, las cuales alcanzan, cuando se someten a procesos adecuados, un alto grado de entrecruzamiento molecular formando materiales duros, que funden con descomposición o no funden y son generalmente insolubles en los solventes más usuales. No se deforman por acción de la temperatura, ejemplos de estos compuestos son: epoxi, poliester, fenólicos, poliuretanos.

Actividad: 2 Con base en la lectura del tema y la explicación de tú profesor, responde las siguientes preguntas. Comparte tus respuestas con el resto del grupo. 1.

¿Qué tipo de compuestos se deben enlazar para producir polímeros de adición?

2.

¿Por qué se les llama polímeros de condensación?

3.

¿Qué es un copolímero?

4.

¿Cuáles son las diferencias entre los polímeros elastómeros, termoplásticos y termoestables?

Actividad: 2 Conceptual Distingue los tipos de macromoléculas sintéticas. Autoevaluación

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Evaluación Producto: Cuestionario Saberes Procedimental Diferencia la composición y propiedades de los polímeros. C

MC

NC

Puntaje: Actitudinal Muestra seguridad en la resolución de cuestionamientos.

Calificación docente

otorgada

por

el

IDENTIFICA LA IMPORTANCIA DE LAS MACROMOLÉCULAS NATURALES Y SINTÉTICAS

Polímeros Termoplásticos

Tipos mas comunes

Usos

Polietilenos

Bolsas, recipientes, contenedores…

Poliésteres saturados

Botellas para bebidas, envases alimenticios… Protectores en embalajes, planchas aislantes… Tuberías de agua y gas, aislantes eléctricos, impermeables, antiguos discos de música… Cajas, estuches con tapa abatible..

Poliestirenos Polivinilos Polipropilenos Termoestables

Elastómeros

Fenoles

Aislantes eléctricos, interruptores, bases de enchufe..

Aminas

Clavijas, interruptores, bases de enchufe…

Resinas de poliéster

Clavija, interruptores, recubrimientos de tableros….

Resinas epoxi

Material deportivo, alas de aviones, adhesivos…

Cauchos

Neumáticos, mangueras, artículos de goma…

Neoprenos

Trajes de submarinismo, rodilleras, coderas…

Poliuretanos

Gomaespuma, piel artificial…

Siliconas

Prótesis, sonda y tubos de uso médico, cierres herméticos…

Impacto del uso de polímeros. A partir de la Segunda Guerra Mundial, los polímeros han sustituido, en forma creciente, materiales naturales como madera, algodón, papel, acero, etc. Esto se debe principalmente a dos factores: el primero, a sus propiedades de ser moldeables, anticorrosivos, resistentes a la acción mecánica (una cuerda de nylon de 10 cm de espesor, puede soportar una carga de 5000 kg sin romperse), resistencia a la temperatura, presencia de propiedades elásticas, etc. Estas propiedades se deben a la gran diversidad de estructuras que con las unidades monómeras se pueden construir. El segundo, a la explotación a gran escala del petróleo. Sin embargo, se debe tomar en cuenta que el petróleo es un recurso no renovable. Por otra parte, los polímeros, aunque indispensables para nuestra vida cotidiana, acarrean serios problemas relacionados con su desecho. La basura orgánica, como el papel y restos de comida, se pueden biodegradar. Es decir, están formadas de compuestos que pueden romperse para dar lugar a otros compuestos más simples, como el bióxido de carbono y agua a través de la acción de bacterias que se encuentran en la naturaleza. Entonces, hay que pensar en lo que sucede con los plásticos. Debe tomarse en cuenta que cada día se producen miles de toneladas de basura y los plásticos representan aproximadamente el 18% de su volumen. En la actualidad, las investigaciones sobre polímeros van encaminadas a la producción de polímeros biodegradables (que se degradan por la acción de la temperatura, humedad, con acción microbiológica, microorganismos) y fotodegradables (sensibles a la acción de la luz). Se pretende que su uso se extienda a bolsas desechables, envases y empaques que representan un 70% del uso de plásticos.

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Cierre Actividad: 3 Realiza una investigación sobre los métodos de producción, utilidad e impacto ambiental del uso cotidiano de macromoléculas sintéticas. Presenta un reporte escrito o audiovisual.

Actividad: 3 Conceptual Identifica el uso e impacto de los polímeros sintéticos, en la vida cotidiana. Autoevaluación

Evaluación Producto: Reporte de investigación. Puntaje: Saberes Procedimental Actitudinal Argumenta sobre los beneficios del Se expresa con claridad y uso adecuado de los polímeros. exactitud. sintéticos C MC NC Calificación otorgada por el docente

Polímeros en nuestro entorno.

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IDENTIFICA LA IMPORTANCIA DE LAS MACROMOLÉCULAS NATURALES Y SINTÉTICAS

Bibliografía Abel Salvador Granados López. Manuel Landa Barrera. Química 2. Compañía editorial nueva imagen. México. 2005 Ana Martínez. Mauricio Castro. Santillana. México D. F. 1999. Imelda Luz Lembrino Pérez. J. Sergio Peralta Alatriste. Cencage Learnig. México. 2008 Jorge Alejandro Leriche Guzmán. Química II. Limusa Noriega Editores. México. 2006. María del Carmen Luna Meza. Química 2 Bachillerato. ST. Distribución. México, D. F. 2005. Miguel Ángel Domínguez Ortíz. Química III. Alta Educación. México, D. F. 2002 Robert C. Smoot. Mi contacto con la Química. McGraw-Hill. México. 2001 T. R. Dickson. Introducción a la Química. Publicaciones cultural. México. 2000 Víctor M. Ramírez Regalado. Química II. Publicaciones Cultural. México. 2005 Xorge A. Domínguez. Química orgánica. C.E.C.S.A. México. 1980.

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