domingo, 19 de marzo de 2017

Actividad

Estructura del átomo

Actividad 1

Para cada uno de los átomos que se simbolizan, completen el siguiente cuadro




X  




Nombre del elemento

Cantidad de
protones en
el núcleo

Cantidad de
neutrones
en el núcleo


Número atómico


Número másico

C







H







O







N







P








Estructura del átomo

En el átomo distinguimos dos partes: el núcleo y la corteza.
El núcleo es la parte central del átomo y contiene partículas con carga positiva, los protones, y partículas que no poseen carga eléctrica, es decir son neutras, los neutrones. La masa de un protón es aproximadamente igual a la de un neutrón.

Todos los átomos de un elemento químico tienen en el núcleo el mismo número de protones (por ejemplo C12 y C14). Este número, que caracteriza a cada elemento y lo distingue de los demás, es el número atómico y se representa con la letra Z.

La corteza es la parte exterior del átomo. En ella se encuentran los electrones, con carga negativa. Éstos, ordenados en distintos niveles, giran alrededor del núcleo. La masa de un electrón es unas 2000 veces menor que la de un protón.

Los átomos son eléctricamente neutros, debido a que tienen igual número de protones que de electrones. Así, el número atómico también coincide con el número de electrones.


¿Cómo identificamos los átomos?

Los átomos se identifican por el número de protones que contiene su núcleo, ya que éste es fijo para los átomos de un mismo elemento. Por ejemplo: Todos los átomos de hidrógeno tienen 1 protón en su núcleo, todos los átomos de oxígeno tienen 8 protones en su núcleo, todos los átomos de hierro tienen 26 protones en su núcleo, ..., y esto permite clasificarlos en la tabla periódica por orden creciente de este número de protones.

Número atómico: Es el número de protones de un átomo. Se representa con la letra Z y se escribe como subíndice a la izquierda del símbolo del elemento: ZX.
Ejemplos: 1H, 8O, 26Fe.
Número másico: Es la suma del número de protones y del número de neutrones de un átomo. Se representa con la letra A y se escribe como superíndice a la izquierda del símbolo del elemento: AX.
Ejemplos: 1H, 8O, 26Fe.
De esta manera se pueden identificar el número y tipo de partículas de un átomo:
31H -----> Este átomo tiene Z = 1 y A = 3. Por tanto, tiene 1 protón, 3 - 1 = 2 neutrones y, como es neutro, tiene 1 electrón.
Si tenemos un ion habrá que sumar o restar electrones a los que tendría si el átomo fuese neutro.
- Si es un catión habrá perdido electrones y hay que restar el número que aparezca con la carga positiva:
2512Mg+2 -----> Este átomo tiene Z = 12 y A = 25. Por tanto, tiene 12 protones, 25 - 12 = 13 neutrones y, al ser positivo, tendrá 2 electrones menos de los que tendría neutro: 12 - 2 = 10 electrones.
- Si es un anión habrá ganado electrones y hay que sumar el número que aparezca con la carga negativa:
199F-1 -----> Este átomo tiene Z = 9 y A = 19. Por tanto, tiene 9 protones, 19 - 9 = 10 neutrones y, al ser negativo, tendrá 1 electrón más de los que tendría si fuese neutro: 9 + 1 = 10 electrones.

Isótopos

La suma del número de protones y el número de neutrones de un átomo recibe el nombre de número másico y se representa con la letra A. Aunque todos los átomos de un mismo elemento se caracterizan por tener el mismo número atómico, pueden tener distinto número de neutrones.

Llamamos isótopos a las formas atómicas de un mismo elemento que se diferencian en su número másico.
Para representar un isótopo, hay que indicar el número másico (A) propio del isótopo y el número atómico (Z), colocados como índice y subíndice, respectivamente, a la izquierda del símbolo del elemento.

viernes, 17 de marzo de 2017

Desarrollo de contenidos

Eje: la estructura de la materia

La estructura del átomo

Partículas subatómicas: electrones, protones y neutrones. Niveles de energía electrónicos. Distribución de electrones por nivel. Tabla periódica. Estructura del núcleo. Número atómico y número de masa. Isótopos.

Expectativas de logro
• Caracterizar la estructura interna del átomo de acuerdo con el modelo escolar presentado, reconociendo la existencia de un núcleo y niveles electrónicos de energía.
• Inferir, a partir de los números atómico y másico de un átomo dado, la cantidad de protones, neutrones y electrones que lo componen.
• Escribir la distribución de electrones por niveles para un átomo dado.
• Utilizar adecuadamente la tabla periódica de los elementos para obtener información de la estructura atómica de un elemento dado.
• Reconocer la existencia de isótopos de un elemento a partir de los distintos valores de sus números másicos.
• Describir el tipo de fuerzas en el átomo y su relación con los procesos físico-químicos.
• Analizar críticamente los alcances y limitaciones de la analogía planteada entre el modelo atómico trabajado y el sistema planetario.

Uniones químicas

Unión iónica y unión covalente. Electronegatividad. Diagramas o estructuras de Lewis. Fórmulas de sustancias binarias de compuestos sencillos. Teoría de la repulsión de pares electrónicos de valencia (TRePEV). Geometría molecular de compuestos binarios sencillos. Nomenclatura de compuestos binarios (óxidos, hidruros, hidrácidos y sales binarias).

Expectativas de logro
• Esquematizar correctamente las estructuras de Lewis para representar sustancias binarias iónicas y covalentes.
• Predecir geometrías moleculares para sustancias sencillas.
• Interpretar la unión química a partir del modelo escolar presentado.
• Construir una primera interpretación del proceso de oxidación-reducción.
• Utilizar el lenguaje simbólico propio de la química al escribir fórmulas y ecuaciones.
• Reconocer los diversos tipos de compuestos binarios y escribir adecuadamente sus fórmulas.
• Nombrar sustancias binarias utilizando la noción de número de oxidación y las convenciones correspondientes.

Eje: las transformaciones de la materia

Las reacciones químicas

Modelización del cambio químico: lo que se conserva y lo que cambia en el proceso. Las reacciones químicas: su representación y su significado. Reacciones de combustión y óxido-reducción. Comportamiento ácido/ básico en sustancias de uso cotidiano. Indicadores ácido-base naturales. La energía asociada a las reacciones químicas: reacciones endotérmicas y exotérmicas. Introducción al concepto de velocidad de reacción.

Expectativas de logro
• construir la noción de cambio químico como destrucción de enlaces y formación de otros;
• utilizar el modelo discontinuo de materia para interpretar el cambio químico;
• utilizar modelos icónicos para representar los estados inicial y final de un sistema en el que ocurra un cambio químico, atendiendo a la destrucción-formación de enlaces y a la conservación del número y tipo de átomos de cada elemento;
• leer y escribir las ecuaciones químicas correctamente balanceadas para representar las diversas reacciones trabajadas;
• identificar las variables que pueden modificar la velocidad de una reacción química;
• identificar ácidos y bases de uso cotidiano utilizando indicadores;
• calcular a partir de los calores de combustión por unidad de masa, los valores de los intercambios de energía en reacciones de combustión.

Las reacciones nucleares

Reacciones de fisión y fusión. Magnitudes conservadas en las reacciones nucleares. Energía implicada en reacciones nucleares. Reacciones controladas y espontáneas. Reactores nucleares. Radiactividad natural. Aplicaciones tecnológicas de las radiaciones y sus consecuencias.


Expectativas de logro
• leer y escribir adecuadamente ecuaciones que representen reacciones nucleares sencillas;
• deducir qué reacciones nucleares son posibles y cuáles no, a partir de las cantidades que deben conservarse;
• conocer cómo opera una reacción nuclear en cadena y cuáles son sus usos tecnológicos;
• identificar los tres tipos principales de emisiones radiactivas;
• predecir los elementos producidos a partir de un determinado decaimiento radiactivo;
• conocer los fundamentos del método de datación por carbono 14;
• conocer las principales aplicaciones de la radiactividad en nuestro país, tanto para usos medicinales como industriales;
• valorar críticamente los usos de la radiactividad y sus implicancias sociales.

Eje: los intercambios de energía 


Intercambio de energía térmica

Calor y Temperatura. Interpretación microscópica de la Temperatura. Intercambio de calor por conducción, variables involucradas. Noción de calor específico. Conservación y degradación de la energía. Centrales energéticas.

Expectativas de logro
• distinguir entre calor y temperatura;
• utilizar unidades adecuadas para expresar temperatura y calor;
• dar explicaciones sobre procesos sencillos que impliquen; intercambios de energía térmica;
• hacer cálculos usando la ecuación fundamental e interpretar los resultados;
• interpretar las variables de las que depende un proceso a partir de las ecuaciones que lo describen;
• distinguir entre materiales conductores y aislantes del calor; 
• diseñar y/o llevar adelante experiencias que permitan hacer mediciones que involucren calores específicos y calores intercambiados, y otras magnitudes tratadas en este núcleo;
• aplicar los conceptos estudiados al análisis de situaciones de producción de energía hogareña o industrial y sus efectos sobre el ambiente.

Intercambio de energía por radiación

Emisión, absorción y reflexión de radiación. Espectro electromagnético. Relación entre temperatura y radiación emitida. La energía del Sol y su influencia sobre la Tierra. El efecto Invernadero. La radiación solar: usos y aplicaciones. 


Expectativas de logro
• distinguir cuál es el principal mecanismo de intercambio de energía (conducción o radiación) involucrado en un determinado proceso;
• dar ejemplos de situaciones en las que se privilegia cada mecanismo y fundamentar;
• utilizar correctamente términos como longitud de onda y frecuencia para describir una onda;
• reconocer los procesos de absorción, emisión y reflexión de radiación en casos concretos;
• reconocer y dar ejemplos de las distintas regiones del espectro electromagnético y su presencia en situaciones cotidianas;
• interpretar el efecto invernadero en base a las nociones de absorción, emisión y reflexión de radiación;
• asumir críticamente posición respecto del uso de determinados materiales acorde a sus efectos sobre el ambiente y la vida del hombre.

domingo, 9 de octubre de 2016

Equilibrio térmico: concepto de temperatura

Como sabes, la noción de frío o calor es subjetiva y surge de la experiencia diaria, por lo que no resulta útil para realizar un tratamiento científico. Para ello es necesario introducir el concepto de temperatura como medida de la intensidad de estas sensaciones, pero su definición debe ser lo suficientemente rigurosa como para que no exista ambigüedad.

Cuando ponemos en contacto dos cuerpos, uno más caliente que otro, experimentalmente se observa que el cuerpo caliente se va enfriando progresivamente, mientras que el cuerpo frío se va calentando. En términos de la magnitud que queremos definir, la temperatura, el cuerpo caliente disminuye su temperatura mientras que el cuerpo frío la aumenta. Si dejamos evolucionar el sistema el suficiente tiempo, llega un momento en el que la temperatura de los dos cuerpos ya no cambia, por lo que cesa el intercambio de energía. A este estado se le conoce como equilibrio térmico.


Este hecho permite dar una primera definición de temperatura:

La temperatura es la magnitud común a dos cuerpos que se encuentran en equilibrio térmico.
Esta definición se conoce también como el "Principio cero de la termodinámica".

También es posible dar una definición de temperatura como medida de la energía cinética de las partículas, esto es, del movimiento de las partículas, ya que cuanta más energía cinética tienen las partículas de un cuerpo, más rápidamente se mueven y se comprueba experimentalmente que su temperatura es mayor.
Según la teoría cinética, cuando dos cuerpos se ponen en contacto, se produce una transferencia de energía cinética de las partículas del cuerpo caliente a las del cuerpo frío hasta que en un momento dado la energía cinética media de las partículas de ambos cuerpos es igual, y por tanto tienen la misma temperatura.

La temperatura de un cuerpo es una medida de la energía cinética media de las partículas que lo forman.
Esta aproximación microscópica al concepto de temperatura nos resultará útil en el estudio del calor y su transmisión. Ahora tienes una idea clara de lo que es la temperatura, pero para que sea útil necesitamos saber medirla.
Los dispositivos que miden la temperatura se denominan termómetros.
Los más habituales eran los de mercurio (ahora prohibidos por los daños medioambientales que puede producir este metal), basados en la relación entre la longitud de la columna de mercurio y la temperatura. En los termómetros actuales se utiliza la variación de la conductividad de determinados metales al cambiar la temperatura.
Los termómetros miden las temperaturas según una escala termométrica, que permiten graduarlos. Para ello se escogen dos fenómenos que ocurran siempre a la misma temperatura, que se denominan puntos fijos. Posteriormente se les asigna arbitrariamente una temperatura y se divide el intervalo entre ellos en partes iguales, cada una de las cuales le da la denominación de grado (excepto en la escala Kelvin, en la que se prescinde de esta denominación: no se dice 200 grados Kelvin, sino 200 Kelvin).


Actualmente siguen utilizándose tres escalas:

Escala Celsius (ºC)
Escala Fahrenheit (ºF)
Escala Kelvin o Absoluta (K) 
Punto Fijo 1
Fusión hielo; 0
Fusión hielo; 32
Fusión del hielo; 273
Punto Fijo 2
Ebullición agua; 100
Ebullición agua; 212
Ebullición agua; 373
Divisiones
100
180
100 
Uso principal
Vida cotidiana
Países anglosajones
Ciencia y tecnología 

Los puntos de fusión del hielo y de ebullición del agua están medidos a presión atmosférica.
La transformación entre valores para las escalas termométricas puede obtenerse a partir de las siguientes relaciones:
  • T (K) = T (ºC) + 273
  • T (ºC)/100 = (T (ºF) -32)/180
La unidad de temperatura en el Sistema Internacional es el Kelvin y es la unidad que debes utilizar a la hora de resolver aquellos problemas en los que aparezcan temperaturas.
Un Kelvin tiene el mismo tamaño que un grado Celsius, por lo que los intervalos entre temperaturas son equivalentes en ambas escalas.

Autoevaluación

1.- Un termómetro situado en el aeropuerto de New York marca una temperatura de 77 ºF, ¿Cuál es la temperatura en grados Celsius y en Kelvin?

a) 27 ºC y 300 K
b) 25 ºC y 300 K
c) 25 ºC y 298 K
d) 27 ºC y 298 K

2.- La temperatura mínima que se anuncia para el comienzo de la primavera en Huanguelén es de 38 ºF. ¿Consideras apropiado abrigarte antes de salir a la calle?

sábado, 1 de octubre de 2016

¿Cómo medimos el calor transferido?

Cuando se transfiere energía en forma de calor a un cuerpo, su temperatura aumenta como consecuencia del incremento de la energía cinética media de sus partículas. Como en cualquier disciplina científica, es necesario poder cuantificar esta transferencia para realizar cálculos y predicciones en aquellas circunstancias en las que interviene el calor.
Dado que, como se ha visto, el calor es una forma de energía, su unidad en el sistema internacional será el julio o joule (J), aunque existe otra unidad de uso habitual en la medida del calor: la caloría.

El calor se mide en el S.I. en julios o joules (J), pero también en calorías (cal). Una caloría se define como la energía necesaria para elevar un grado la temperatura de un gramo de agua. La relación entre julio y caloría es: 1 cal = 4.18 J

Una experiencia clásica consiste en comunicar la misma cantidad de calor a dos recipientes que contienen igual masa de alcohol y agua.


En la gráfica de la imagen se observa que el alcohol aumenta significativamente más rápido su temperatura, hasta que alcanza su temperatura de ebullición (78 ºC), momento en el que cesa de aumentar. Lo mismo sucede con el agua, que se calienta más lentamente y tiene un punto de ebullición más alto (100ºC).
Por lo tanto, es necesario introducir una nueva magnitud que exprese el diferente comportamiento de las sustancias al ser calentadas.
Si se transfiere una misma cantidad de calor a dos sistemas distintos, el aumento de temperatura experimentado por cada uno de ellos no es siempre el mismo, sino que depende de su naturaleza y composición. El parámetro que relaciona el incremento de la temperatura con el calor suministrado se denomina calor específico (ce) de una sustancia, definido como la energía absorbida al calentarse un kilogramo de una sustancia y elevar su temperatura un Kelvin o un grado centígrado. Es característico de cada sustancia y se mide en el S.I. en J/(kg·K). 
El aumento de temperatura viene dado por tanto por el cociente: 
de modo que el calor intercambiado puede escribirse como: 

La energía transferida a un cuerpo de masa m para que su temperatura pase de una inicial (Ti) a otra final (Tf) viene dada por la expresión: 


donde ce es el calor específico de la sustancia en cuestión.
Destacar también que, debido a que aparece una diferencia de temperaturas, es equivalente utilizar la escala Kelvin o la Celsius, pues ambos grados son equivalentes.

Esta relación explica por qué es necesario suministrar más calor a unas sustancias que a otras para aumentar su temperatura: cuanto mayor sea su calor específico, más energía será necesario suministrar. Por ejemplo, los metales tienen un calor específico relativamente bajo, mientras que la madera o el agua lo tienen elevado.

Ejercicio resuelto:

Una cacerola contiene medio litro de agua a 25 ºC. Si el calor específico del agua es de 4180 J/(kg·K), calcula la cantidad de energía necesaria para llevar todo el agua a la temperatura de ebullición (100 ºC).

Si hay medio litro de agua, como la densidad del agua es dH2O = 1000 kg/m3 = 1 kg/L, esto quiere decir que tenemos 0.5 kg de agua, y aplicando la ecuación para el calor transferido:

Q = m·ce·ΔT = 0.5 Kg·4180J/(Kg.K)·(373 K – 298 K) = 156750 J

Problema:
Cuando suministramos 67500 J en forma de calor a un bloque de acero, observamos que su temperatura aumenta 75 ºC. Si el calor específico del acero es de 450 J/(kg·K), ¿cuál es la masa del bloque?