Hipertexto de Santillana

288 Pages·2010·16.67 MB·Spanish

química
César Humberto Mondragón Martínez
Luz Yadira Peña Gómez
Martha Sánchez de Escobar
1
Fernando Arbeláez Escalante
Diana González Gutiérrez
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HIPERTEXTO QUÍMICA 1 Para educación media, es una obra colectiva, concebida, diseñada
y creada por el Departamento Editorial de Santillana S.A.
Directora de Educativas Ana Julia Mora Torres
Directora Editorial Fabiola Nancy Ramírez Sarmiento
Equipo editorial Isabel Hernández Ayala. Coordinadora de contenidos
Clara María Sánchez Sánchez. Editora ejecutiva del área de ciencias naturales.
Ana María Díaz Bohórquez. Editora júnior del área de ciencias naturales.
César Augusto Buitrago Piñeros. Asistente editorial del área de ciencias naturales.
Autores César Humberto Mondragón Martínez
Licenciado en Química. Universidad Pedagógica Nacional.
Experiencia
Docente de Química. Instituto Pedagógico Nacional.
Director Práctica Docente. Universidad Pedagógica Nacional.
Luz Yadira Peña Gómez
Licenciada en Química. Universidad Pedagógica Nacional.
Especialista en Análisis Químico Instrumental. Pontifi cia Universidad Javeriana.
Especialista en Evaluación Educativa. Universidad El Bosque.
Experiencia
Docente de Química. Colegio Santa María.
Martha Sánchez de Escobar
Licenciada en Química. Universidad Pedagógica Nacional.
Experiencia
Docente de Química. Fundación Gimnasio Los Portales.
Fernando Arbeláez Escalante
Biólogo. Universidad Nacional de Colombia.
Experiencia
Docente de ciencias naturales. Colegio San Carlos.
Especialista en Docencia universitaria. Universidad Cooperativa de Colombia.
Diana González Gutiérrez
Licenciada en Química. Universidad Pedagógica Nacional.
Magíster en educación. Pontifi cia Universidad Javeriana.
Experiencia
Coordinadora de área y docente de Química. Colegio Santa María.
La persona encargada de avalar este texto desde el punto de vista de la disciplina específi ca y desde su pedagogía
fue Johan Manuel Calderón Rodríguez. Biólogo. Maestría Ciencias - Biología. Universidad Nacional.
El especialista encargado de avalar este texto desde la equidad de género y de su adecuación a la diversidad
cultural fue Evelio Castillo Pulido. Especialista en Ética y pedagogía de valores. Pontifi cia Universidad Javeriana.
Las pruebas de campo del texto fueron realizadas por el Departamento de Investigación de Editorial Santillana
bajo la dirección de Ximena Galvis Ortiz.
Se ha hecho el máximo esfuerzo por ubicar a los propietarios de los derechos de autor. Sin embargo, si es preciso efectuar
alguna rectifi cación, la Editorial determinará los arreglos pertinentes.
Agradecimiento especial al Colegio Corazonista H.H. del Sagrado Corazón, al docente José Omar Restrepo Franco a
los estudiantes Luis Mahecha, Beatriz Goyeneche, Pamela Torres y Jhonnatan Retamozo por su colaboración para la
realización de los trabajos de laboratorio.
Equipo gráfi co y técnico Iván Merchán Rodríguez. Coordinador Creativo y Diseñador del modelo gráfi co y carátulas
Carlos Ernesto Tamayo Sánchez. Coordinador de Arte Educativas
Martha Jeanet Pulido Delgado, Orlando Bermúdez Rodríguez. Correctores de estilo
Alveiro Javier Bueno Aguirre. Coordinador de soporte técnico
Luis Nelson Colmenares Barragán. Documentalista gráfi co y de escáner
Luis Alberto Tamayo Sánchez, Pedro William Velásquez García, César Alfonso Murillo Díaz,
Sandra Patricia Acosta Tovar, Hugo Armando Castrillón Toro. Diagramadores
Claudia Marcela Jaime Tapia. Documentalista
Francisco Sánchez, Danilo Ramírez Parra, Diomedes Guilombo, Armando Rosales Ortiz. Ilustradores
Tulio Pizano, Carlos Díez Polanco, Harold Cárdenas, Jorge Hernán Vallejo González, William Torres, Gustavo Rodríguez,
Ana María Restrepo, Javier Jaime Sánchez, Agencia García Pelayo, S. L., David Lenin. Fotógrafos
Corel Stock, Photo Library, Getty images, Casa de la imagen, Archivo Santillana. Fotografía
Francisco Rey González. Director de producción
© 2010 EDITORIAL SANTILLANA S.A.
Calle 80 No. 9-69
Bogotá, Colombia
I.S.B.N. 978-958-24-1430-6 Obra completa
I.S.B.N. 978-958-24-1431-3 Edición para el estudiante
I.S.B.N. 978-958-24-1432-0 Edición para el docente
Este libro está elaborado de acuerdo con las normas ICONTEC NTC-4724 y NTC-4725 para textos
escolares.
Depósito legal en trámite
Impreso en Colombia por
Prohibida la reproducción total o parcial, el registro o la transmisión por cualquier medio
de recuperación de información, sin permiso previo por escrito de la editorial.
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PRESENTACIÓN DEL MODELO
HIPERTEXTO QUÍMICA 1
De la serie HIPERTEXTOS SANTILLANA, es una nueva propuesta pedagógica que responde a
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CONTENIDO
UNIDAD 1. Introducción a la química 6
Tema 1. Generalidades 8 3. Clases de materia 21
1. La química a través de la historia 8 4. Separación de mezclas 23
2. ¿Cómo trabajan los científi cos? 10 5. La energía 25
3. La medición 12 ■ Desarrollo de competencias 27
4. Temperatura y calor 14 ■ Actividades 28
Desarrollo de competencias 17 ■ Ciencia (cid:2) Tecnología
Tema 2. Materia y energía 18 La química está en todas partes 32
1. Propiedades de la materia 18 ■ Laboratorios 34
2. Transformaciones de la materia 20
U NI■DAD 2. Estructura atómica 38
Tema 1. El átomo: conceptos básicos 40 4. Algunas propiedades periódicas 71
1. El átomo a través del tiempo 40 ■ Desarrollo de competencias 73
2. Algunas propiedades de los átomos 45 Tema 4. El enlace químico 74
■ Desarrollo de competencias 49 1. ¿Qué mantiene unidos a los átomos? 74
Tema 2. Modelo atómico actual 50 2. El enlace iónico 76
1. Antecedentes 50 3. El enlace covalente 78
2. El modelo de Bohr 52 4. Sólidos metálicos 81
3. El modelo de Sommerfeld 53 5. Fuerzas intermoleculares 82
4. Hacia un modelo mecánico-cuántico de la materia 53 6. Arquitectura molecular: formas geométricas
5. Arquitectura electrónica 54 de las moléculas 84
■ Desarrollo de competencias 59 ■ Desarrollo de competencias 85
Tema 3. Los átomos y la tabla periódica 62 ■ Actividades 86
1. Primeras clasifi caciones de los elementos 62 ■ Ciencia (cid:2) Tecnología
2. Tabla periódica moderna 63 Del Big Bang al origen de los elementos químicos 94
3. Algunas propiedades físicas y químicas ■ Laboratorios 96
de los elementos de la tabla periódica 67
U NIDAD 3. El lenguaje de la química 100
Tema 1. Nomenclatura química 102 6. Ecuaciones termoquímicas 124
1. Los símbolos y las fórmulas químicas ■ Desarrollo de competencias 125
a través de la historia 102 Tema 3. Cálculos químicos 126
2. Valencia y número de oxidación 103 1. Cálculos basados en las ecuaciones químicas 126
3. Función química y grupo funcional 104 2. Leyes ponderales 126
4. Radicales 112 3. Cálculos estequiométricos 128
■ Desarrollo de competencias 113 4. Cálculos químicos en los que intervienen gases 132
Tema 2. Reacciones y ecuaciones químicas 114 ■ Desarrollo de competencias 133
1. Representación de los fenómenos químicos 114 ■ Actividades 134
2. Clases de reacciones químicas 115 ■ Ciencia (cid:2) Tecnología
3. Balanceo de ecuaciones 117 Extracción minera y sus efectos ambientales 140
4. Métodos para balancear ecuaciones 118 ■ Laboratorios 142
5. Las reacciones químicas y la energía 121
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UNIDAD 4. Estados de agregación de la materia 146

Tema 1. Conceptos básicos 148 4. Principio de Avogadro 163
1. Fuerzas de atracción entre moléculas 148 5. Ecuación de estado o Ley de los gases ideales 163
2. Los gases 148 6. Gases reales 164
3. Los líquidos 153 7. Difusión de gases: ley de Graham 164
4. Los sólidos 154 ■ Desarrollo de competencias 165
■ Desarrollo de competencias 157 ■ Actividades 166
Tema 2. Los gases 158 ■ Ciencia (cid:2) Tecnología
1. Propiedades de los gases 158 Pantallas y termómetros de cristal líquido 170
2. Teoría cinética de los gases 159 ■ Laboratorios 172
3. Leyes de los gases 160
U NIDAD 5. Las soluciones 176
Tema 1. El agua y las soluciones 178 Tema 3. Propiedades coligativas de las soluciones
1. El agua 178 y de los coloides 190
2. Concepto de solución 181 1. Propiedades coligativas de las soluciones 190
3. Solubilidad 182 2. Coloides 193
■ Desarrollo de competencias 183 ■ Desarrollo de competencias 195
Tema 2. La concentración de las soluciones 184 ■ Actividades 196
1. Defi nición de concentración 184 ■ Ciencia (cid:2) Tecnología
2. Unidades de concentración 184 El agua, un líquido poco común 202
3. Diluciones 188 ■ Laboratorios 204
■ Desarrollo de competencias 189
U NIDAD 6. Cinética química 208
Tema 1. Velocidad de reacción 210 4. La constante de equilibrio 217
1. Conceptos básicos 210 5. Clases de equilibrio químico 220
2. Factores que afectan la velocidad de reacción 213 6. Factores que afectan el equilibrio 221
■ Desarrollo de competencias 215 ■ Desarrollo de competencias 223
Tema 2. Equilibrio químico 216 ■ Actividades 224
1. Reacciones reversibles 216 ■ Ciencia (cid:2) Tecnología
2. Estados de equilibrio dinámico 216 Contaminación e intoxicación por metales pesados 228
3. Ley de acción de masas 216 ■ Laboratorios 230
U NI DAD 7. Equilibrio en soluciones 234
Tema 1. Equilibrio en soluciones iónicas 236 8. Titulación de soluciones 250
1. Electrólitos 236 9. Ácidos polipróticos 252
2. Equilibrios de solubilidad 237 ■ Desarrollo de competencias 253
3. Conceptos y teorías sobre ácidos y bases 239 Tema 3. Electroquímica 254
■ Desarrollo de competencias 241 1. Introducción 254
Tema 2. Equilibrio iónico del agua 242 2. Reacciones de óxido-reducción 254
1. Ionización del agua 242 3. Algunos procesos electroquímicos 255
2. Soluciones neutras, ácidas y básicas 243 4. Leyes de Faraday 263
3. Concepto de pH 243 ■ Desarrollo de competencias 265
4. Concepto de pOH 244 ■ Actividades 266
5. Cálculos relativos a pH y pOH 244 ■ Ciencia (cid:2) Tecnología
6. Indicadores de pH 246 Pilas y baterías: energía química para la tecnología moderna 272
7. Sistemas reguladores de pH 247 ■ Laboratorios 274
Anexos

■ Proyectos científi cos escolares 278
■ Glosario 286
■ Bibliografía 288
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1
Introducción
D
a la química
A
D Temas de la unidad
1. Generalidades
I
N 2. Materia y energía
U
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ENTORNO VIVO
Para pensar…
Desde la Antigüedad el hombre ha intentado entender por qué y cómo se Para responder…
producen los fenómenos naturales que observa a su alrededor. Este anhelo
■ ¿Cómo evolucionó la química
de comprensión ha dado origen a diversas corrientes de pensamiento, como
a través de la historia?
la religión, el arte o la ciencia. En las páginas que siguen nos centraremos
en una de las muchas ramas en las que está dividida la ciencia: la química.
■ ¿Cómo trabajan los científi cos?
La química es una ciencia natural mediante la cual el hombre estudia la
■ ¿Qué diferencia hay entre
composición y el comportamiento de la materia, así como la relación de ésta
sustancia pura y mezcla?
con la energía.
■ ¿Cómo se relacionan los
Pero, comprender los fenómenos naturales no solo le ha servido a la hu-
conceptos de materia y energía?
manidad para satisfacer su curiosidad. También ha servido para mejorar la
calidad de vida de las personas. Así, materiales como plásticos , pinturas o
detergentes; medicamentos como la penicilina, los antiácidos o la insulina,
y máquinas como los refrigeradores o los motores de combustión interna,
han sido posibles gracias al creciente conocimiento que tenemos del mundo
a nuestro alrededor y muy especialmente gracias a los avances alcanzados
en la química.
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MANEJO CONOCIMIENTOS
PROPIOS DE LAS CIENCIAS NATURALES
1. Generalidades
En este tema haremos un pequeño recuento histórico sobre la quí-
mica. Luego, explicaremos en qué consiste una metodología científi ca
y fi nalizaremos ilustrando algunos conceptos relacionados con la
medición y sus aplicaciones en la química.
1.1 La química a través la historia
Las primeras manifestaciones del ser humano relativas a la química
se relacionan con actividades prácticas, como la cocción de alimen-
tos y la metalurgia. Para el año 1200 a. de C. egipcios y babilonios
habían alcanzado gran perfección en la aplicación de estas técnicas,
Figura 1. Los egipcios fueron maestros
en el trabajo de los metales. siendo maestros en el manejo del vidrio y de metales como el oro, la
plata y el hierro. No obstante, estos pueblos dieron poca importancia
a la elaboración de una base teórica que soportara estos quehaceres
cotidianos (fi gura 1).
En el siglo VI a. de C. surgen en Grecia las primeras teorías sobre la
composición de la materia, gracias a fi lósofos como Tales de Mileto
(625-545 a. de C.) y Anaximandro (611-547 a. de C.). Sus ideas
fueron retomadas más tarde por Aristóteles (383-322 a. de C.) en la
denominada teoría de los cuatro elementos, según la cual, tierra,
agua, aire y fuego, al combinarse conformaban la materia y defi nían
las cualidades fundamentales de los cuerpos. Años después, en el
siglo V a. de C., Demócrito y Leucipo propusieron que la materia
estaba compuesta por unas partículas mínimas indivisibles, a las que
llamaron átomos.
1.1.1 La alquimia (500-1600 d. de C.)
Como resultado de la fusión entre el dominio técnico de los egip-
cios y la elaboración teórica y fi losófi ca de los griegos, surgió la
alquimia. Los alquimistas, a diferencia de sus predecesores, no solo
deseaban comprender el mundo natural, sino que además busca-
ban la perfección en sí mismos. Este ideal se hallaba materializado
en el oro. Por ello, los alquimistas encaminaron gran parte de sus
esfuerzos a la manipulación de los metales y de un sinnúmero de
sustancias con capacidad para interactuar con éstos y especialmente
a la búsqueda de la piedra fi losofal, compuesto mágico que podía
transformar los metales en oro, así como proporcionar la eterna
juventud.
Por esta senda, desarrollaron y perfeccionaron diversos instru-
mentos y métodos, los cuales han llegado a nosotros a través de
términos como alcohol, baño de María, alambique, destilación y
sublimación (fi gura 2).
1.1.2 Surgimiento de la química moderna
Para los hombres de ciencia del siglo XVIII, la teoría de los cuatro
elementos ya no era sufi ciente para explicar la composición y el
comportamiento de la materia. Por ejemplo, los avances en el cono-
Figura 2. Laboratorio alquímico pintado por Joannes cimiento de los gases ponían en duda que el aire fuera un elemento
Stradanus en 1570. Los alquimistas hicieron grandes
en lugar de un conjunto de diferentes sustancias.
aportes al conocimiento químico.
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Componente: Procesos físicos
Figura 3. Ernest Rutherford realizó un valioso Figura 4. Watson y Crick propusieron el modelo original de la molécula de ADN.
aporte al modelo atómico.
Era una época en la que nada se daba por sentado, todo debía ser medido,
pesado y comprobado. El representante más destacado de esa tendencia
fue el químico francés Antoine Lavoisier (1743-1794), quien sentó las
bases de la química moderna, al establecer que la materia no se crea ni
se destruye, sino que se transforma, y demostrar que el aire, el agua y el
fuego no eran elementos.
1.1.3 Siglos XIX y XX
Durante el siglo XIX la investigación en química se centró en dilucidar
la naturaleza de la materia. Así, John Dalton (1766-1844) presenta la
primera propuesta consistente sobre la estructura atómica, que luego es
complementada por Ernest Rutherford (1871-1937) (fi gura 3), con lo
cual empieza a entreverse que el átomo se compone de partículas más
pequeñas y que no es indivisible, como lo indica su nombre. Basado en
estos trabajos, Niels Bohr (1885-1962) propone el sistema planetario del
átomo, modelo precursor del aceptado actualmente.
Basado en todo el conocimiento acumulado sobre los elementos quími-
cos, Dimitri Mendeleiev (1834-1907) organiza la tabla periódica de los
elementos, con base en sus pesos atómicos.
El siglo XX es un período de grandes cambios. En 1905, Albert Einstein
(1879-1955) presenta la teoría de la relatividad, con lo cual sacude las
bases teóricas de la física y la química. En las primeras décadas del siglo,
los esposos Marie y Pierre Curie estudian el fenómeno de la radiactivi-
dad y descubren dos nuevos elementos: el radio y el polonio.
En la segunda mitad del siglo XX la atención de los químicos se enfoca
hacia el estudio de las partículas subatómicas y la fabricación sintética de
diversos materiales, como los plásticos y los superconductores.
Finalmente, el misterio de la vida encabeza las investigaciones en gené-
tica y biología molecular. Así, en 1953, Francis Crick y James Watson
(fi gura 4) resuelven la estructura tridimensional de la molécula de ADN
(ácido desoxirribonucleico), base para comprensión del lenguaje de la
vida. Posteriormente, en 1996, es presentado al mundo el primer orga-
nismo clonado (fi gura 5). Es así como la humanidad recibe el siglo XXI
con un complejo pero inevitable confl icto ético relacionado con el papel Figura 5. La oveja Dolly:
de la ciencia en la sociedad. primer ser vivo clonado.
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Generalidades
1.2 ¿Cómo trabajan los científi cos?
1.2.1 Características generales
El desarrollo del conocimiento científi co, es decir, la creciente compren-
sión que tenemos del mundo que nos rodea, se basa en la experimenta-
ción y en el posterior planteamiento de explicaciones, que a su vez son
la base para la construcción de teorías científi cas.
Al analizar un determinado fenómeno, intentando establecer por qué
motivo se produce, qué factores intervienen en él, qué relación tiene
con otros fenómenos, etc., se puede proceder de dos maneras. En algu-
nos casos basta con realizar una descripción detallada del fenómeno,
sin necesidad de hacer mediciones, por esto se dice que es un trabajo
Figura 6. El trabajo en equipo es fundamental
cualitativo. En otros casos, es necesario realizar mediciones, precisas y
para lograr avances científi cos.
rigurosas para formular matemáticamente las observaciones y las con-
clusiones derivadas de estas. Se dice entonces que el trabajo científi co es
cuantitativo.
Finalmente, un aspecto muy importante del trabajo científi co es que se
lleva a cabo en equipo (fi gura 6). Actualmente, el conocimiento acumu-
lado es tan vasto, que es imposible que una sola persona pueda conocer
todas las áreas. Por este motivo, es necesario que cada especialista aporte
sus conocimientos al equipo para abordar los objetos de estudio de ma-
nera interdisciplinaria.
1.2.2 Metodología científi ca
O Menciona tres grandes descu-
I
C brimientos científicos que hayan No existe una metodología única para desarrollar un proceso científi co.
I
RC contribuido al mejoramiento de la Cada área del conocimiento tiene sus propios métodos, sus propias
E
J vida del hombre. estrategias y enfrenta los problemas de su área desde distintos ángulos;
E
sin embargo, todas se rigen por unos principios comunes. En el caso de
las ciencias experimentales como la química, la biología y la física casi
siempre emplean un método común, en el cual se pueden diferenciar las
siguientes etapas:
■ Observación de fenómenos: la observación es la base del trabajo
científi co. Observamos para entender por qué o cómo ocurren los
fenómenos (fi gura 7). Utilizamos nuestros sentidos y diversos ins-
trumentos de medida para observar y luego de haber realizado ano-
taciones y mediciones repetidas veces, podemos plantear preguntas
concretas.
Figura 7. El trabajo científi co requiere
de cuidadosas observaciones. Estas
pueden ser cualitativas o cuantitativas.
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