Química 3er año - Conexos

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QuímicaQuímica

Desde su propio nombre, Conexos -el conjunto de bienes educativos que hemos elaborado para afrontar los nuevos retos de la Educación Media- está comprometido con un mundo de interrelaciones, en el que los saberes no son estáticos ni están encerrados en espacios restringidos, sino que andan en constante movimiento, dispersos en infi nitas redes. Estos materiales didácticos apuntan a potenciar los vínculos, activar los contactos, descubrir los enlaces.

El aprendizaje signifi cativo, que cultivamos como una de las premisas conceptuales de todos nuestros materiales didácticos, tiene una importancia creciente en esta serie, pues atiende las necesidades de estudiantes que ya han avanzado a otra fase de su educación formal. La necesidad de que las competencias adquiridas sean útiles para la vida es en Conexos una estrategia vital.

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© 2013 by Editorial Santillana, S.A.Editado por Editorial Santillana, S.A.Nº de ejemplares: 13 150Reimpresión: 2014

Av. Rómulo Gallegos, Edif. Zulia, piso 1. Sector Montecristo, Boleíta. Caracas (1070), Venezuela.Telfs.: 280 9400 / 280 9454www.santillana.com.ve

Impreso en Ecuador por: Imprenta Mariscal CIA. LTDA

ISBN: 978-980-15-0652-2Depósito legal: lf63320129003925

Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorización previa de los titulares del Copyright, bajo las sanciones establecidas en las leyes, la reproducción total o parcial de esta obra por cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprografía y el tratamiento informático, y la distribución de ejemplares de ella mediante alquiler o préstamo público.

El libro Química 3eraño de Educación Media es una obra colectiva concebida,diseñada y elaborada por el Departamento Editorial de Editorial Santillana S.A.,bajo la dirección pedagógica y editorial del profesor José Manuel Rodríguez R.

En la realización de esta obra intervino el siguiente equipo de especialistas:

Edición general adjuntaInés Silva de Legórburu

Edición generalLisbeth C. Villaparedes de Maza

Edición ejecutivaJosé Luis Rada A.

Textos• .M zerímaR .C zirtaeB

Licenciada en Química, Universidad Central de Venezuela

• avoC elyccirB Licenciada en Química, UniversidadSimón Bolívar; Magister en Química, Universidad Simón Bolívar

• adaR siuL ésoJ Licenciado en Biología,Universidad Simón Bolívar

• otoS oñecirB leunaM ésoJ Profesor en Química, Universidad Pedagógica Experimental Libertador;Magister en Enseñanza de la Química,Universidad Pedagógica ExperimentalLibertador y Doctor en Educación,Universidad de Carabobo

Corrección de estiloMariví CoelloJuan Luis Valdéz

Coordinación de arteMireya Silveira M.

Diseño de unidad gráfi caMireya Silveira M.

Coordinación de unidad gráfi caMaría Elena Becerra M.

Diseño de portadaMireya Silveira M.

Ilustración de portadaWalther Sorg

Diseño y diagramación generalMaría Alejandra González

Documentación gráfi caAmayra Velón

IlustracionesFondo Documental Santillana

InfografíasOliver González

FotografíasFondo Documental Santillana

Retoque y montaje digitalEvelyn Torres

Química 3er año

3añoQuímica

SOLO PÁGINAS SELECCIONADAS PARA MUESTRA

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Estructura del libroInicio de unidad

Desarrollo de los temasActívate. Preguntas relacionadas con situaciones de la vida cotidiana, orientadas a evocar conocimientos previos vinculados con los temas o generar inquietudes acerca de los nuevos contenidos a desarrollar.

Contenido. Tema con información actualizada, presentada a través de textos e imágenes, organizadores y recursos gráficos novedosos.

Información complementaria. Datos adicionales que enriquecen los temas, relacionados con diversas áreas del conocimiento, así como con aspectos de la vida cotidiana, como el trabajo, la tecnología, el ambiente y la diversidad cultural del país.

Logros esperados. Enunciados breves que describen los principales conocimientos, valores, habilidades y destrezas que se pretende consolidar con el desarrollo de los contenidos de la unidad.

Idea para la acción. Reseña de la actividad grupal para contribuir al desarrollo de proyectos, trabajos especiales o líneas de investigación, para ser llevada a cabo durante o al final de la unidad.

Infografía. Recurso gráfico que permite despertar el interés con relación a los temas de la unidad. Contiene datos y preguntas que favorecen la interacción, participación y reflexión para introducir los nuevos contenidos.

Para reflexionar y debatir. Preguntas dirigidas a generar conclusiones a partir del análisis de la información y los datos planteados en la infografía.

Infografías. Temas con una propuesta gráfica diferente y novedosa, que presentan la información a través de imágenes y textos asociados, para aprender de manera dinámica.

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Idea para la acción. Desarrollo de la actividad anunciada al inicio de cada unidad, con sugerencias para su planificación, puesta en práctica y evaluación, como estrategia para la generación de conocimientos.

Cierre de unidadActividades de refuerzo. Ejercicios, preguntas y casos de análisis, vinculados con los temas abordados en la unidad. Persiguen el desarrollo de las distintas habilidades del pensamiento.

Actividades. Preguntas, ejercicios, casos y situaciones de análisis para validar, afianzar y reforzar los contenidos vistos. Estimulan la capacidad de razonamiento en el plano individual, y la interacción por medio del trabajo en equipo.

Cierre de unidad

Preguntas, ejercicios, casos y situaciones de análisis para validar, afianzar y reforzar los contenidos vistos. Estimulan la capacidad de razonamiento en el plano individual, y la interacción por medio del trabajo en equipo.

Profesiones y oficios científicos. Breve información sobre algunas profesiones y oficios vinculados con los temas vistos, para conocer las posibilidades que existen en el campo profesional, y orientar inquietudes y vocaciones.

Conexos con… Tecnología e inventiva. Información gráfica sobre inventos, descubrimientos, libros, revistas, instituciones, sitios web, programas o personajes, relacionados con logros tecnológicos, de vanguardia o históricos, afines con los temas de la unidad.

En síntesis. Mapa conceptual que permite resumir los aspectos principales de cada temay relacionarlos entre sí de manera concreta.

Química cotidiana. Información, ideas o ejercicios sobre cómo se verifica el contenido del tema en el día a día. Mediante la exposición de ejemplos o la proposición de experiencias sencillas para realizar en casa o en clase, se potencian habilidades procedimentales e inquietudes científicas.

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U1 Los materiales ........................... 6Tema 1 Desarrollo histórico de la química ............................. 8

Tema 2 Los materiales I: propiedades no características ...... 14

Tema 3 Los materiales II: propiedades características .......... 22

Tema 4 Las mezclas ................................................................ 30

Tema 5 Concentración de las soluciones I ............................. 38

Tema 6 Concentración de las soluciones II ............................ 44

Tema 7 Clasificación de sustancias: elementos y compuestos ........................................... 50

Tema 8 Los elementos ............................................................ 56

Tema 9 Los compuestos inorgánicos ...................................... 64

Tema 10 Los compuestos orgánicos ......................................... 72

Cierre Actividades de refuerzo ............................................. 80 Enlace con tecnología e inventiva ............................. 82 Profesiones y oficios científicos ................................ 82 Idea para la acción:

Producción de un concurso sobre el valor de los elementos químicos ....................................... 83

U2 El lenguaje de la química y las reacciones químicas ........... 84

Tema 1 La simbología química ............................................... 86

Tema 2 Nomenclatura química I ............................................. 94

Tema 3 Nomenclatura química II ............................................ 100

Tema 4 Las reacciones químicas y su representación ........... 106

Tema 5 Leyes de la combinación química ............................. 114

Tema 6 El mol y el balanceo de ecuaciones ........................... 120

Tema 7 Estequiometría ........................................................... 128

Tema 8 Velocidad de las reacciones químicas ....................... 134

Cierre Actividades de refuerzo ............................................. 140 Enlace con tecnología e inventiva ............................. 142 Profesiones y oficios científicos ................................ 142 Idea para la acción:

Creación de cristales ................................................ 143

Índice

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U3 La estructura de la materia ...... 144Tema 1 Naturaleza discontinua y eléctrica de la materia...... 146

Tema 2 La teoría atómica ....................................................... 154

Tema 3 El enlace químico ....................................................... 162

Tema 4 La radiactividad .......................................................... 168

Cierre Actividades de refuerzo ............................................. 174 El enlace con tecnología e inventiva ......................... 176 Profesiones y ofi cios científi cos ................................ 176 Idea para la acción: Kit para la representación

tridimensional de moléculas .................................... 177

U4 La industria química ................... 178Tema 1 La industria química y el ambiente ............................ 180

Tema 2 Productos de la industria química ............................. 186

Tema 3 La industria petrolera y petroquímica en Venezuela ..................................... 192

Cierre Actividades de refuerzo ............................................. 200 Enlace con tecnología e inventiva ............................. 202 Profesiones y ofi cios científi cos ................................ 202 Idea para la acción: Creación de una campaña

de promoción para el uso del gas natural ................. 203

Solucionario ........................................................................... 204

Tabla periódica de los elementos ..................................... 207

Fuentes consultadas ............................................................. 208

A propósito del lenguaje de géneroSegún la Real Academia de la Lengua Española y su correspon-diente Academia Venezolana de la Lengua, la doble mención de sustantivos en femenino y masculino (por ejemplo: los ciudadanos y las ciudadanas) es un circunloquio innecesario en aquellos casos en los que el empleo del género no marcado sea sufi cientemente explícito para abarcar a los individuos de uno y otro sexo.

Sin embargo, desde hace varios años, en Editorial Santillana he-mos realizado un sostenido esfuerzo para incorporar la perspectiva de género y el lenguaje inclusivo, no sexista en nuestros bienes educativos, pues valoramos la importancia de este enfoque en la lucha por la conquista defi nitiva de la equidad de género.

En tal sentido, en nuestros textos procuramos aplicar el lenguaje de género, al tiempo que mantenemos una permanente preocu-pación por el buen uso, la precisión y la elegancia del idioma, fi nes en los que estamos seguros de coincidir plenamente con las autoridades académicas.

A propósito de las Tecnologías de la Información y la ComunicaciónEditorial Santillana incluye en sus materiales referencias y enlaces a sitios web con la intención de propiciar el desarrollo de las com-petencias digitales de docentes y estudiantes, así como para comple-mentar la experiencia de aprendizaje propuesta. Garantizamos que el contenido de las fuentes en línea sugeridas ha sido debidamente validado durante el proceso de elaboración de nuestros textos.

Sin embargo, dado el carácter extremadamente fl uido, mutable y dinámico del ámbito de la Internet, es posible que después de la llegada del material a manos de estudiantes y docentes, ocurran en esos sitios web cambios como actualizaciones, adiciones, supre-siones o incorporación de publicidad, que alteren el sentido original de la referencia. Esos cambios son responsabilidad exclusiva de las instituciones o particulares que tienen a su cargo los referidos sitios, y quedan completamente fuera del control de la editorial.

Por ello, recomendamos que nuestros libros, guías y Libromedias sean previa y debidamente revisados por docentes, padres, madres y representantes, en una labor de acompañamiento en la validación de contenidos de calidad y aptos para el nivel de los y las estudiantes.

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LOGROS ESPERADOS

Esta es la manera como se organizan las moléculas de los componentes de los hilos de la telaraña: una combinación de proteínas constituidas por enlaces moleculares débiles junto con proteínas con componentes cristalizados duros.¿Cómo se relacionan los enlaces moleculares con la resistencia o flexibilidad de la telaraña?

Uno de los componentes del hilo de la tela está formado por átomos que se unen con tanta fuerza que forman cristales microscópicos muy duros. Entre cristales, los átomos establecen enlaces débiles que dan como resultado un material elástico con alta capacidad para deformarse sin romperse. ¿Por qué es mejor que la telaraña conste de un material resistente y flexible a la vez, en vez de que sea solo resistente o solo flexible?

c

En el marco, la estructura central y los radios de la tela, la araña utiliza un hilo rígido, producido con componentes que contiene gran número de cristales.

La espiral de captura está constituida por hilos menos resistentes pero muy elásticos, los cuales son elaborados de componentes poco cristalizados.

Un campeón en resistencia.Hechas de hilos pegajosos con

alrededor de 0,003 mm de diámetro, algunas telarañas son capaces de detener incluso pájaros pequeños.

Si estos hilos tuvieran el grosor de un lápiz, podrían detener

un Boeing 747 en pleno vuelo. ¿Cómo se comparan los hilos de la telaraña con

las cuerdas para el descenso en rappel en actividades de montañismo

o de rescate?

b c

La telaraña está elaborada con dos tipos especiales de hilos:

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¿Qué pasaría si la espiral de captura estuviera igualmente

confeccionada con los componentes altamente

cristalizados de los radios de la telaraña?




En su abdomen, la araña tiene varias glándulas que producen los componentes básicos de los hilos de la tela, hechos de proteínas. Cada glándula produce componentes en diferentes proporciones, lo que genera hilos con propiedades diferentes. ¿Hilos distintos implica compuestos proteicos distintos?

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LA ESTRUCTURA DE LA MATERIA La telaraña, ¿qué la hace tan resistente siendo tan delgada?

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IDEA PARA LA ACCIÓNC

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• Reconocer los símbolos de los elementos, los compuestos y las ecuacio-nes químicas como una forma de comunicación en el campo científico de la química.

• Comprender los cambios asociados con las reaccio-nes entre elementos y compuestos químicos, y la energía asociada en el proceso.

• Aplicar leyes de la combi-nación química a proble-mas relacionados con las reacciones químicas.

Son más ligeros que el algodón, más elásticos que el caucho, y proporcionalmente más fuertes que el acero; las propiedades de los hilos de la tela de araña refl ejan los enlaces químicos entre los átomos y moléculas de las que están constituidos.

LOGROS ESPERADOS

Representación tridimen-sional de moléculas

En esta unidad crearán un kit para la representación de modelos tridimensio-nales de moléculas de compuestos químicos.

144 LA ESTRUCTURA DE LA MATERIA

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Esta es la manera como se organizan las moléculas de los componentes de los hilos de la telaraña: una combinación de proteínas constituidas por enlaces moleculares débiles junto con proteínas con componentes cristalizados duros.¿Cómo se relacionan los enlaces moleculares con la resistencia o flexibilidad de la telaraña?

Uno de los componentes del hilo de la tela está formado por átomos que se unen con tanta fuerza que forman cristales microscópicos muy duros. Entre cristales, los átomos establecen enlaces débiles que dan como resultado un material elástico con alta capacidad para deformarse sin romperse. ¿Por qué es mejor que la telaraña conste de un material resistente y flexible a la vez, en vez de que sea solo resistente o solo flexible?

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En el marco, la estructura central y los radios de la tela, la araña utiliza un hilo rígido, producido con componentes que contiene gran número de cristales.

La espiral de captura está constituida por hilos menos resistentes pero muy elásticos, los cuales son elaborados de componentes poco cristalizados.

Un campeón en resistencia.Hechas de hilos pegajosos con

alrededor de 0,003 mm de diámetro, algunas telarañas son capaces de detener incluso pájaros pequeños.

Si estos hilos tuvieran el grosor de un lápiz, podrían detener

un Boeing 747 en pleno vuelo. ¿Cómo se comparan los hilos de la telaraña con

las cuerdas para el descenso en rappel en actividades de montañismo

o de rescate?

b c

La telaraña está elaborada con dos tipos especiales de hilos:

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En su abdomen, la araña tiene varias glándulas que producen los componentes básicos de los hilos de la tela, hechos de proteínas. Cada glándula produce componentes en diferentes proporciones, lo que genera hilos con propiedades diferentes. ¿Hilos distintos implica compuestos proteicos distintos?

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Para refl exionar y debatir

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¿Podría decirse que las propiedades cualitativas y cuantitativas de los materiales están relacionada con las fuerzas de los enlaces atómicos y moleculares de los compuestos de que están hechos? ¿Qué benefi cio tendría la combinación de materiales resistentes y materiales fl exibles en la estructura de altos edifi cios en zonas sísmicas?

Naturaleza discontinua y eléctrica de la materiatema 1

aCtÍVate

A veces, al tocar una manija, sentimos un “corrientazo” . También al frotar un peine con un paño y acercarlo al cabello, este se levanta. ¿Cómo se explican estos fenómenos? ¿Qué tienen que ver con los rayos de las tormentas?

La discontinuidad de la materia A simple vista la materia parece una masa compacta sin espacios vacíos; pero gracias a la ciencia, se fue descubriendo que la materia no era continua, sino que más bien presentaba discontinuidades. Si se observa un trozo de material en el microscopio, fácilmente se aprecia que está formado por pequeños aglomerados de materia entre los cuales existen espacios o agujeros en su microestructura. Estos espacios vacíos implican que la materia no es totalmente compacta sino discontinua.

Para entender mejor esta discontinuidad, es necesario saber de qué está hecha la materia y de qué manera se fue comprendiendo su estructura.

En 1805 el inglés John Dalton (1766-1844), publicó su obra Nuevo sistema de la filosofía química, en la cual rescataba las ideas propuestas por Demócrito y Leucipo dos mil años atrás.

La razón que impulsó a Dalton a proponer una nueva teoría atómica fue la búsqueda de una explicación a las leyes

químicas que se habían deducido empíricamente hasta el momento, como la ley de la conservación y la ley de las

proporciones definidas.

Demócrito Es considerado como uno de los padres del atomismo.

John DaltonRetomando las ideas de los atomistas

griegos, propuso la primera teoría atómica dentro del marco de la química moderna.

Los griegos se preocuparon por indagar sobre la constitución íntima de la materia. Cerca del año

450 a.C., Leucipo y su discípulo, Demócrito, propusieron que la materia estaba constituida

por pequeñas partículas a las que llamaron átomos, palabra que significa indivisible.

La materia está constituida por átomos y moléculas. El átomo se entiende como la unidad estructural y reactiva de la materia que puede sufrir cambios químicos. Los átomos se combinan para formar moléculas, que son las unidades estructurales básicas de las sustancias compuestas.

Átomo de hidrógeno

Molécula de H2O

Agua

Los átomos Son partículas muy pequeñas que tienen un diámetro de aproximadamente 1 Å (angstrom) � 1 � 10�8 cm.

Asimismo, su masa es tan pequeña que no se puede detectar en la balanza más moderna:

está entre 10�24 g y 10�22 g.

La estructura de la materia

146 la estructura de la materia

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Teoría atómica de DaltonDalton enunció una serie de postulados sobre el átomo, basado en experimentaciones relacionadas con las leyes de la combinación química. Algunos de sus postulados principales fueron los siguientes:

• Los elementos están constituidos por átomos; consistentes en partículas materiales, rígidas, esféricas, indivisibles, separadas e indestructibles.

• Los átomos de un elemento son iguales entre ellos, pero diferentes de los de otros elementos en forma, tamaño, masa y propiedades.

• Los átomos no se crean ni se destruyen, ni se transforman en otros tipos de átomos durante las reacciones químicas.

• Los átomos se pueden combinar según leyes específicas para formar moléculas.

La mayoría de estos postulados se han aceptado hasta hoy; otros, como la indivisibilidad del átomo, se han refutado. Sin embargo, esta teoría permite explicar la ley de la conservación de la masa y la ley de las proporciones definidas. El concepto daltoniano no concebía la idea de la divisibilidad del átomo, por lo que no consideraba que el átomo podía tener una estructura interna, sino que el arreglo de los átomos definía la estructura de la materia de manera compacta con espacios pequeños entre ellos.

Modelo de partículas y la difusiónLos elementos están formados por átomos y las sustancias compuestas por moléculas. Los átomos y moléculas se pueden representar como partículas en constante movimiento, a través del modelo de partículas, denominado también modelo corpuscular.

La discontinuidad de la materia se puede comprender a partir de la explicación de algunos fenómenos usando el modelo de partículas. Algunos de estos fenómenos están relacionados con la difusión de sustancias en diversos medios. Por ejemplo:

Difusión de sustancias tóxicas y contaminantes

La propiedad discontinua de la materia permi-te que las sustancias gaseosas se puedan difundir en el aire. Esta propiedad se evidencia en algunas sustancias tóxicas y contaminan-tes que se dispersan a grandes distancias y causan daños a los seres vivos, y en especial a las personas. Si la materia fuera toda compacta y continua, esto no sería posible.

Salud y ambiente

En 1805 el inglés John Dalton (1766-1844), publicó su obra Nuevo sistema de la filosofía química, en la cual rescataba las ideas propuestas por Demócrito y Leucipo dos mil años atrás.

La razón que impulsó a Dalton a proponer una nueva teoría atómica fue la búsqueda de una explicación a las leyes

químicas que se habían deducido empíricamente hasta el momento, como la ley de la conservación y la ley de las

proporciones definidas.

Demócrito Es considerado como uno de los padres del atomismo.

John DaltonRetomando las ideas de los atomistas

griegos, propuso la primera teoría atómica dentro del marco de la química moderna.

Los griegos se preocuparon por indagar sobre la constitución íntima de la materia. Cerca del año

450 a.C., Leucipo y su discípulo, Demócrito, propusieron que la materia estaba constituida

por pequeñas partículas a las que llamaron átomos, palabra que significa indivisible.

La materia está constituida por átomos y moléculas. El átomo se entiende como la unidad estructural y reactiva de la materia que puede sufrir cambios químicos. Los átomos se combinan para formar moléculas, que son las unidades estructurales básicas de las sustancias compuestas.

Átomo de hidrógeno

Molécula de H2O

Agua

Los átomos Son partículas muy pequeñas que tienen un diámetro de aproximadamente 1 Å (angstrom) � 1 � 10�8 cm.

Asimismo, su masa es tan pequeña que no se puede detectar en la balanza más moderna:

está entre 10�24 g y 10�22 g.

La difusión de un gas en el aire La difusión de sólidos en un líquido

Un gas está formado por moléculas que se mueven continuamente. La molécula del hidrógeno (H2) es diatómica, formada por dos átomos de hidrógeno; la molécula de CO2 es una molécula triatómica, formada por dos tipos de átomos; la molécula del gas Ar es monoatómica.La difusión de un gas se puede explicar por el hecho de que las partículas constituyentes de una sustancia volátil se difunden en el aire alejándose unas de otras, y dejando espacios vacíos entre ellas, debido a la baja tendencia de las partículas de permanecer juntas. Al expandirse el gas los espacios entre sus partículas son mayores, por lo que se da la discontinuidad de la materia.

Al preparar una solución acuosa con compuestos sólidos coloreados como el sulfato de cobre; se puede observar que después de un tiempo, y sin requerir de agitación, el sulfato de cobre colorea de azul todo el líquido.Este ejemplo muestra que el líquido, en este caso el agua, es discontinuo porque permite la difusión de algunos sólidos dentro de su seno, por lo que se considera que existen espacios vacíos en él.La difusión de partículas en un líquido también ocurre con la sal de mesa y el azúcar (sólidos no coloreados), solo que no es tan visible. No obstante, el hecho de que la sal y el azúcar se disuelvan en el agua y aumenten el volumen del líquido, revela que las partículas se han dispersado, es decir han ocupado espacios vacíos.

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La ósmosisLa ósmosis es el fenómeno de difusión de una sustancia a través de una membrana semipermeable; este fenómeno se puede explicar mediante el modelo de partículas.

La ósmosis se explica a través de estas dos situaciones:

• Si en un envase se coloca una membrana semipermeable que separe agua pura de una solución azucarada, se observará que con el tiempo el agua pasa a la solución y esta aumenta de volumen. En el caso de que la solución sea coloreada, se observará una disminución del color debido a la dilución causada por el agua.

• Si se separan dos soluciones de diferente concentración, el agua de la solución menos concentrada pasa hacia la más concentrada hasta que se igualan las dos concentraciones.

Ambas situaciones muestran que el agua se mueve desde la solución donde hay más agua por unidad de volumen (la menos concentrada) hasta donde hay menos agua por unidad de volumen (la más concentrada). En otras palabras, la ósmosis se entiende como el movimiento de un solvente, a través de una membrana semipermeable, hacia una solución de mayor concentración de soluto.

La ósmosis muestra que las moléculas del solvente están en continuo movimiento, esto es posible porque las membranas semipermeables tienen espacios vacíos que permiten el paso de las moléculas pequeñas de solvente, pero impiden el paso de partículas de mayor tamaño.

El movimiento continuo de partículas macroscópicas fue observado por primera vez por Robert Brown, en 1827, y se le denominó movimiento browniano. Este movimiento permite inferir que partículas invisibles, como átomos y moléculas, se encuentran también en continuo movimiento debido a su energía cinética (energía de movimiento), lo cual permite la difusión de sólidos, líquidos y gases en el seno de otra sustancia sin necesidad de que se agite la mezcla.

Una membrana semipermeable, como el celofán o las membranas biológi-cas, permite el paso de algunas partículas, pero impide el paso de otras de mayor tamaño.

Las plantas absorben agua por ósmosis; en este caso, el agua tiene que atravesar las membranas celulares de las raíces.

Las células de cebolla en agua pura, se hinchan debido a la absorción de agua por ósmosis. La hinchazón de la célula se llama turgencia.

En agua salada las células se arrugan por la pérdida de agua. La flacidez o arrugamiento de la célula se llama plasmólisis.

Los rayos, producidos durante las tormentas,

llenaron de asombro e imaginación a

los pueblos antiguos.

En el modelo atómico de Thomson los electrones se encuentran incrustados en

una masa de carga positiva que neutraliza la materia eléctricamente.

Los filósofos griegos atribuían la presencia de rayos a la ira de Zeus, el llamado padre de todos los dioses del Olimpo.

El filósofo y matemático Tales de Mileto (siglo V a.C.) fue el primero en describir la electricidad, al observar que un pedazo de ámbar (en griego elektron) frotado con una piel de animal, como la lana, atraía cuerpos livianos y pequeños, como plumas o pelos. Algunos filósofos explicaban, en términos ambiguos y subjetivos, que la atracción de ciertos cuerpos se debía a la “simpatía” entre ellos, mientras la falta de atracción se debía a su “antipatía”, sin embargo. Tales atribuyó el fenómeno de electrización a los átomos que constituyen la materia.

Para explicar la naturaleza eléctrica de la materia, es necesario disponer de un modelo atómico adecuado; incluso más complejo que el sugerido por Dalton, ya que este no puede explicar el comportamiento eléctrico de la materia. Thomson y Rutherford plantearon nuevos modelos atómicos con los descubrimien-tos del electrón y el protón.

La electrización de los cuerposLos fenómenos eléctricos llamaron la curiosidad desde los principios de la humanidad.

RutherfordThomson

El paso de solvente por ós-mosis crea una diferencia de presión que se conoce como presión osmótica, y se defi ne como la presión necesaria para detener el paso del solvente de uno a otro lado de la membrana.

La ósmosis en las células de la cebolla

Disolución diluida

Disolución concentrada

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Membrana semipermeable

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Los rayos, producidos durante las tormentas,

llenaron de asombro e imaginación a

los pueblos antiguos.

En el modelo atómico de Thomson los electrones se encuentran incrustados en

una masa de carga positiva que neutraliza la materia eléctricamente.

Los filósofos griegos atribuían la presencia de rayos a la ira de Zeus, el llamado padre de todos los dioses del Olimpo.

El filósofo y matemático Tales de Mileto (siglo V a.C.) fue el primero en describir la electricidad, al observar que un pedazo de ámbar (en griego elektron) frotado con una piel de animal, como la lana, atraía cuerpos livianos y pequeños, como plumas o pelos. Algunos filósofos explicaban, en términos ambiguos y subjetivos, que la atracción de ciertos cuerpos se debía a la “simpatía” entre ellos, mientras la falta de atracción se debía a su “antipatía”, sin embargo. Tales atribuyó el fenómeno de electrización a los átomos que constituyen la materia.

Para explicar la naturaleza eléctrica de la materia, es necesario disponer de un modelo atómico adecuado; incluso más complejo que el sugerido por Dalton, ya que este no puede explicar el comportamiento eléctrico de la materia. Thomson y Rutherford plantearon nuevos modelos atómicos con los descubrimien-tos del electrón y el protón.

La electrización de los cuerposLos fenómenos eléctricos llamaron la curiosidad desde los principios de la humanidad.

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Naturaleza eléctrica de la materiaMuchos fenómenos, como los rayos y la atracción de los cuerpos, demuestran que la materia tiene una naturaleza eléctrica. Sin embargo, la correcta interpretación y el entendimiento general de estos fenómenos tomó muchos años.

Modelo atómico de ThomsonEn 1897, Joseph Thomson (1856-1940) descubrió que el átomo tenía unas partículas con carga negativa a las que llamó electrones; describió que el átomo era divisible, contrario a lo que Dalton había propuesto. Formuló así su teoría atómica, la primera en explicar la naturaleza eléctrica de la materia: el átomo está compuesto de una esfera cargada positivamente en cuya masa se mueven y están incrustados los electrones, en forma parecida a un “pudín con pasas”, por lo que así fue llamado su modelo atómico.

El modelo atómico de Thomson, aunque explicaba la naturaleza eléctrica de la materia, no logró explicar algunos resultados experimentales, particularmente los del científi co Ernest Rutherford. Por esa misma época, Eugen Goldstein (1850-1930) descubrió otras partículas subatómicas; las que tenían carga positiva se les denominó protones.

Naturaleza discoNtiNua y eléctrica de la materia 149Naturaleza discoNtiNua y eléctrica de la materia 149

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Modelo atómico de RutherfordEn 1909, Ernest Rutherford (1871-1937) descubrió que los átomos no eran compactos, como habían propuesto Dalton y Thomson, sino que tenían espacios vacíos. Se basó en experimentaciones en las que observó que, aun cuando algunas partículas cargadas positivamente rebotaban contra una delgada lámina de oro, un mayor número de ellas lograban atravesarla. Esto lo llevó a concluir que en la materia había espacios y, por ende, en sus átomos constituyentes.

Rutherford propuso el átomo nuclear, que explicaba la naturaleza eléctrica de la materia de manera más convincente: los átomos tienen un centro de protones con carga positiva llamado núcleo atómico, donde se encuentra la mayor parte de la masa del átomo; los electrones, con carga negativa, se mueven en órbitas alrededor del núcleo a modo de “corona electrónica” dejando espacios relativamente grandes. La carga negativa de los electrones contrarresta la carga positiva del núcleo, por lo que el átomo es eléctricamente neutro.

El modelo del átomo nuclear de Rutherford es útil para explicar algunos fenómenos sencillos de electrización de la materia; sin embargo, presenta inconsistencias, por ejemplo, contradice las leyes del electromagnetismo de Maxwell según las cuales, el electrón como partícula acelerada, emite y pierde energía, siguiendo una trayectoria en espiral hacia el núcleo. Hoy se sabe que esto no ocurre, ya que los átomos son estables.

Modelo atómico de BohrCon el fi n de dar solución a las inconsistencias que presentaba el modelo atómico de Rutherford, el físico danés Niels Bohr propuso, en 1913, un nuevo modelo atómico basado en el descubrimiento del neutrón y los conocimientos de la teoría cuántica, el efecto fotoeléctrico y los espectros del hidrógeno.

Modelo atómico de Rutherford, en el cual los electrones giran alrededor del núcleo del átomo.

Núcleo cargado positivamente

n = 2

Electrón ()

Postulados de la teoría atómica de Bohr

1. El átomo está formado por un núcleo y una envoltura donde giran los electrones.

Los electrones se mueven alrededor del núcleo en órbitas circulares estables. Cada una de estas órbitas corresponde a un nivel de energía permitido. Los niveles de energía (n) se representan por los valores de 1, 2, 3,…, siendo el valor 1 el más cercano al núcleo. Según la física clásica, si los electrones se movieran en órbitas circulares, se acelerarían irradiando energía, moviéndose en espiral hasta colapsar con el núcleo. Como esto no sucede, Bohr estableció otros dos postulados:

2. Mientras el electrón esté girando en su nivel, no emitirá ni absorberá energía. Cuando un electrón está en un nivel de energía bajo se dice que se encuentra en estado fundamental o basal.

3. Cuando un electrón transita de una órbita a otra, se produce absorción o emisión de una cantidad defi nida de energía, en forma de ondas electromagnéticas, cuya magnitud es igual a la diferencia de energía entre las dos órbitas.

Electrón cargado negativamente

Órbitas Núcleo () n = 1


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Por frotamiento Por inducción Por contacto

Cuando dos cuerpos se frotan, sus átomos interactúan; uno de los cuerpos cede electrones y el otro los capta, quedando con cargas opuestas.Por ejemplo, al frotar una regla de plástico con una tela de lana, el plástico adquiere carga negativa porque gana electrones de la lana.

Cuando un cuerpo eléctricamente neutro se aproxima a otro electrizado es atraído, debido a que se forman cargas eléctricas parciales en los extremos del cuerpo neutro. El cuerpo electrizado induce la separación de cargas (dipolo eléctrico), al atraer o repeler a los electrones del cuerpo neutro.

La electrización por contacto se produce cuando un cuerpo neutro eléctricamente se carga al ponerse en contacto con un cuerpo electrizado.Este fenómeno se puede puede verificar con más claridad en un electroscopio.

Tipos de electrizaciónLa electrización es la formación de cargas en un material o un cuerpo; el origen de las cargas es el átomo, el cual está formado por protones, electrones y neutrones. El átomo, por naturaleza, es eléctricamente neutro, es decir, por cada carga negativa existe una carga positiva.

• Cuando los átomos ceden electrones, quedan con exceso de protones, o exceso de cargas positivas, por lo tanto, estarán cargados positivamente.

• Cuando los átomos captan electrones, quedan con exceso de cargas negativas, es decir, cargados negativamente.

Dos cuerpos con cargas distintas se atraen (atracción electrostática) y con cargas iguales se repelen (repulsión electrostática), según la ley fundamental de la interacción eléctrica, que dice: “dos cuerpos con el mismo tipo de carga se repelen, con distinto tipo se atraen”.

Conductividad eléctricaUna sustancia es conductora cuando permite el paso de la corriente eléctrica a través de ella. En general, los metales son buenos conductores, aunque la plata y el cobre son los mejores.

La conductividad eléctrica de los metales se debe a que tienen electrones libres, muy alejados de su núcleo atómico y débilmente unidos, por lo que tienen la libertad de moverse libremente a través de todo el metal. Los electrones libres en un material transportan carga eléctrica y lo hacen buen conductor eléctrico.

Los materiales que tienen sus electrones bien unidos al núcleo atómico y solo pocos libres para moverse bajo la influencia de un cuerpo cargado, se llaman aislantes eléctricos, porque no pueden conducir la electricidad, como el vidrio, el papel, la madera o el caucho.

En un electroscopio, al tocar la esfe-ra metálica con una varilla de vidrio electrizada, las hojas de la laminilla se separan; debido a que adquieren igual carga positiva y se repelen.

Soluciones electrolíticasAlgunas soluciones acuosas también son buenas conductoras de la electricidad. Se las llama soluciones electrolíticas debido a la presencia de sustancias iónicas en su medio, los electrolitos, tales como ácidos, bases y sales.

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Tipos de electrización


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Actividades Para realizar en el cuaderno

1 Compara los diferentes modelos atómicos estudiados e identifica semejanzas y diferencias entre ellos. Luego elabora una tabla comparativa.

2 Responde los siguientes planteamientos: a) ¿Por qué la teoría atómica de Dalton no explica la naturaleza eléctrica de la materia? b) ¿Tenía razón Dalton cuando decía que todos los átomos de un mismo elemento

son iguales entre sí? ¿Por qué?

3 Explica: ¿por qué si los átomos están formados por partículas cargadas, se dice entonces que son neutros?

4 Analiza cada caso y explica si es una evidencia de la naturaleza eléctrica o de la discontinuidad de la materia.

a) La electrolisis descompone el agua en hidrógeno y oxígeno. b) Un perfume se derrama e impregna la habitación con su olor. c) Un rayo cae y parte un árbol alto. d) Una solución de NaCl permite el paso de electricidad.

5 Lee y responde. Una persona se peina con un peine de plástico y luego de pasar el peine un par de veces, notó

que el cabello se le levantaba al acercarle el peine. a) ¿Qué tipo de electricidad adquirió el peine cuando fue frotado con el cabello? b) ¿Cómo adquirió el peine esa electricidad? c) ¿Cómo explicas que los cabellos se ericen al acercarles el peine? d) ¿Por qué el peine atrae el cabello? e) Elabora una ilustración para mostrar lo que ocurre internamente en el peine

y en el cabello al electrizarse.

6 Dibuja los átomos de hidrógeno (Z 5 1, A 5 1), litio (Z 5 3, A 5 7) y boro (Z 5 5, A 5 11) considerando el modelo atómico de Bohr.

7 Observa las imágenes y explica lo que ha ocurrido en base al fenómeno de la ósmosis. Responde: ¿por qué la experiencia demuestra que la materia es discontinua?

a) b)

Presión

Aguasalada

Aguapura

Membranasemipermeable

Membranasemipermeable

Aguasalada

Aguapura

8 Consulta y explica por qué el agua es buen conductor eléctrico a pesar de no ser una sustancia metálica. Responde: ¿qué ocurre con la conductividad del agua si se le añade cloruro de sodio?


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Copia y completa el siguiente mapa conceptual:En síntesis

Química cotidiana

Electrones

Iones

Inducción

MoléculasLa ósmosis

El movimiento Browniano

Naturaleza eléctrica

Subpartículas eléctricas

Naturaleza discontinua

por ejemplo

debido a

tales como

tales como

que explican la

por

formados por

que explica

tiene

debido a

tiene

Los materiales

El color de las piedras preciosasMuchas de las piedras preciosas o semipreciosas exhiben hermosos colores, que se producen como resultado de iones de metales de transición que se encuentran en forma de impurezas. Uno de estos es el ión Cr3+, el cual le da un color rojo oscuro a los rubíes, y un color verde característico a las esmeraldas.

Los colores son emisiones de radiación dentro del espectro visible, es decir, son consecuencia de la emisión de energía en forma de luz. El ión Cr3+ tiene electrones que pueden ser excitados por la absorción de energía, y luego decaer a niveles de energía menores o al estado fundamental, liberando o emitiendo un determinado tipo de radiación. El hecho de que los colores de estas dos piedras sean diferentes, se explica porque están constituidos por distintos cristales (Al2O3, para el rubí y 3 BeO∙Al2O3∙6 SiO2, en el caso de la esmeralda). Este entorno químico, hace que la energía para producir el estado excitado del ión sea diferente en cada piedra y, por ende, se liberen radiaciones también diferentes.

Análisis y aplicaciónResponde: ¿cuál de los modelos atómicos estudiados da explicación a la excitación y decaimiento de los electrones?

La energía para la excitación de electrones en la esmeralda es menor que en el rubí; por ende esta piedra absorbe las radiaciones de los colores rojos y violetas y emite los verdes y azules.

está formada por


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La teoría atómicaTEMA 2

AcTÍVATE

¿De qué se supone debería estar constituido el hielo, el aire o un trozo de carne, si imaginas que puedes hacerte tan minúsculo como para observar las partículas más pequeñas que forman la materia?

La estructura atómicaEn el siglo V a.C., Demócrito propuso que la materia no se podía dividir infi nitamente, y por lo tanto, debía existir una unidad mínima de subdivisión a la que llamó átomo. Este concepto se mantuvo intacto casi dos mil años, hasta que en el siglo XIX se realizaron diferentes experimentos con el fi n de comprobar la existencia de esta partícula “indivisible”. A partir de ese momento, muchos experimentos contribuyeron a comprobar la existencia del átomo y permitieron establecer diferentes modelos atómicos, hasta el que existe actualmente.

El tubo de rayos catódicosEn 1875, sir William Crookes (1832- 1919) descubrió los rayos catódicos usando un tubo de descarga, que consiste en un tubo de vidrio provisto de dos electrodos herméticamente soldados a los extremos de este y a través de los cuales se hace pasar una corriente eléctrica.Crookes observó que si se creaba vacío dentro del tubo, al pasar la corriente aparecía un resplandor, originado en el electrodo negativo o cátodo y que se dirigía hacia el electrodo positivo o ánodo. Crookes concluyó que debía tratarse de haces cargados negativamente, que luego fueron bautizados como rayos catódicos.

Los experimentos de Thomson y el tubo de rayos catódicosEn 1897, el científico británico J. J. Thomson realizó experiencias en tubos de rayos catódicos. Observó que si variaba el gas que se encontraba en el interior del tubo, las partículas que formaban el rayo tenían el mismo comportamiento. De esto dedujo que en el interior de todos los átomos hay una o más partículas cargadas negativamente, a las que llamó “electrones”.

Basado en estos resultados, Thomson propuso el modelo atómico llamado “budín de pasas”. Además, estudió el efecto de los campos magnéticos y eléctricos sobre los rayos catódicos. Al medir la desviación que ocasionaban estos dos campos sobre la trayectoria del electrón, pudo cuantificar su relación carga/masa. Posteriormente, en 1909, el físico Robert Millikan empleó los datos de Thomson para idear un experimento propio con el propósito de encontrar el valor por separado de la carga y la masa del electrón.

Ánodo

Ánodo

Sombra

Pantalla Hélice de zinc

Cátodo

Cátodo

Estas partículas tienen masa, ya que hacen girar la hélice de zinc

Como el rayo era atraido por la placa positiva (ánodo) se dedujo que estaba formado por partículas

eléctricas con carga negativa

Cuando se producía una descarga eléctrica entre las placas, aparecía

un rayo luminoso

El descubrimiento de las partículas subatómicas: el electrón

154 La estructura de La materia

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El modelo atómico actualLos experimentos realizados desde principios del siglo XX permitieron establecer diferentes teorías y modelos atómicos, que se han desarrollado y robustecido con la investigación científica. Comenzando con los experimentos de Thomson y Rutherford, y posteriormente las contribuciones de otros científicos como Niels Bohr, Wolfang Pauli, Erwin Schrödinger y Paul Dirac, se llegó a la descripción del átomo que se maneja actualmente. Este modelo se fundamenta en la mecánica cuántica y explica el comportamiento de los fenómenos atómicos.

El descubrimiento del protón El descubrimiento del neutrón

El experimento de GoldsteinEugen Goldstein (1850-1930), realizó algunas modificaciones al diseño inicial del tubo de rayos catódicos. El nuevo dispositivo tenía el cátodo perforado y el tubo, en lugar de vacío, contenía diferentes gases. Observó que detrás del cátodo se producía otro tipo de resplandor, proveniente del ánodo, por lo que dedujo que los nuevos rayos poseían carga positiva. Posteriormente fueron bautizados como protones y se determinó que su carga era de igual magnitud que la de un electrón, es decir, 1,602 . 10�19 coulombios, mientras que su masa era aproximadamente 1 837 veces mayor que la del electrón, con un valor cercano a 1,673 . 10�24 g.

El experimento de ChadwickDesde 1920, Rutherford había supuesto la existencia de una tercera partícula subatómica, que debía ser neutra, pues muchos elementos poseían una masa superior a lo esperado si sus núcleos solo estuvieran conformados por protones. Sin embargo, se tuvo que esperar hasta 1932 para comprobar experimentalmente la existencia de estas partículas. El descubrimiento se atribuye a James Chadwick, quien observó que en un experimento con partículas radiactivas se liberaban partículas con una masa similar a la de los protones. Estas partículas no se desviaban por la presencia de campos eléctricos, por lo que debían ser neutras, así que se las llamó neutrones.

Ánodo (+)Cátodo

perforado(-)

Rayos catódicos

Placa de berilio Placa de parafina

Protones

Neutrones

Pared del tubo

Rayos canaleso anódicos Fuente de partículas alfa

Radiación de alta energía que no se desvía ante

el campo eléctrico

Estructura del modelo atómico actual

El núcleo. Región donde se concentran los protones y los neutrones. Concentra prácticamente toda la masa del átomo.

Según el modelo atómico actual, el átomo está constituido por dos zonas:

La nube electrónica. Espacio, externo al núcleo atómico, donde se encuentran los electrones que se mueven en regiones denominadas orbitales.

Las partículas subatómicas del núcleo atómico

N

P1

La teoría atómica 155

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El núcleo atómicoLas partículas del núcleo atómico: protones y neutrones, también se denominan nucleones. Los nucleones tienen propiedades que definen la identidad a los átomos de cada elemento:

• Propiedades del protón. Cada protón tiene una masa de 1,6725 10224 gramos y una carga eléctrica positiva de 1,602 10219 coulombios. Todos los átomos de un elemento específico tienen la misma carga nuclear positiva, que es un múltiplo de la carga del protón. Esta cantidad de protones es un número entero que se llama número atómico y se simboliza como Z. Al protón también se suelen representar con el símbolo 11 o p1.

• Propiedades de neutrón. Los neutrones son partículas eléctricamente neutras, que tienen una masa de 1,674 10224 gramos, muy similar a la masa del protón. El total de neutrones en el núcleo atómico de los elementos se conoce con el mismo nombre y se designa con la letra N.

La suma de los protones y los neutrones del núcleo de un elemento se denomina número de masa o número másico, y se designa con la letra A. Su valor es un número entero porque es la suma del número de partículas.

Los isótoposSi bien los átomos de un elemento mantienen un número fijo de protones, el número de neutrones en el núcleo puede variar. La mayoría de los elementos químicos en la naturaleza están constituidos por átomos con una cantidad de neutrones variable. Los elementos que tienen igual número de protones pero diferente número de neutrones se llaman isótopos. Para referirse a los isótopos, se escribe el símbolo o el nombre completo del elemento, seguido del número másico. Por ejemplo, hidrógeno23, carbono214 o uranio2235.

Número másico (A):A 5 Z 1 N

EjErcicio

Planteamiento: el elemento oro (Au) tiene un número de masa de 197. ¿Cuántos protones, neutrones y electrones tiene un átomo de oro si se sabe que el número atómico para este elemento, según la tabla periódica, es de 79?Datos: número másico del Au: A 5 197; número atómico del Au: Z 5 79Comprensión: con el número atómico y el número másico del Au, se puede calcular la cantidad de neutrones. Z indica además el número de protones, que es igual al de electrones.Procedimiento: A 5 Z 1 N 197 5 79 1 N 197 2 79 5 N 118 5 NRespuesta: el número de neutrones en el átomo de oro es de 118, y el número de electrones es igual al de protones, es decir, 79.

Los isótopos del hidrógeno

El hidrógeno tiene dos isótopos: el deuterio, con una abundancia de 0,015%, y el tritio, que es radiactivo y tiene una abundancia de 10-15%.

Hidrógeno, 11 H

1 protón1 electrón

Deuterio, 21 H

1 protón1 electrón1 neutrón

Tritio, 31 H

1 protón1 electrón2 neutrones

Número atómico (Z): Cantidad de protones.

Número de neutrones (N): Cantidad de neutrones.


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A. Cuando los electrones se encuentran en sus órbitas (estado fundamental), no emiten energía. Solo pueden ganar o perder energía cuando pasan de una órbita a otra.

B. El electrón pasa a una órbita superior (estado excitado) cuando se le suministra una cantidad específica de energía, por lo que absorbe un cuanto de energía.

C. Cuando el electrón vuelve a su estado fundamental, pierde energía y emite un cuanto de energía.

Los electrones y la nube electrónicaLos electrones son partículas con una masa de 9,109 10227 gramos y carga negativa de 21,602 10219 coulombios. En relación con su masa, el electrón es alrededor de 1 837 veces más liviano que el protón. Los electrones representan apenas 0,1% de la masa total del átomo y se mueven a gran velocidad alrededor del núcleo formando la nube electrónica. Esta región está definida por niveles y subniveles de energía, los cuales se hacen más energéticos a medida que se encuentran más alejados del núcleo.

La nube electrónica según BohrEl modelo planetario de Bohr es ampliamente utilizado para estudiar el átomo más simple, el del hidrógeno; sin embargo, falla al tratar de explicar el comportamiento de átomos más grandes. Este modelo se caracteriza porque los electrones giran alrededor del núcleo en un número limitado de órbitas estables, asociadas a niveles con valores específicos de energía; es decir, los electrones pueden situarse en uno y otro nivel energético, pero no entre dos niveles.

Así, el modelo atómico de Bohr propone la distribución de electrones por niveles y subniveles energéticos de la nube electrónica. Existe un número máximo de electrones por niveles y subniveles de energía:

• Los niveles de energía son 7 y se denominan por las letras: K, L, M, N, O, P y Q; también se pueden identificar por los números: 1; 2; 3; 4; 5; 6 y 7.

Los electrones de la capa K, cerca del núcleo, tienen menor energía, por lo que este los atrae con más fuerza. En cambio los electrones de la capa Q son los más alejados, por lo tanto tienen mayor energía y son atraídos con menor fuerza por el núcleo.

• Cada nivel de energía está constituido por uno o más subniveles, debido a que los electrones que se hallan en un mismo nivel se diferencian ligeramente en la energía que tiene cada uno. Estos se identifican por letras minúsculas: s, p, d y f, y cada uno tiene una capacidad determinada de alojar electrones:

s 5 2 e2; p 5 6 e2; d 5 10 e2 y f 5 14 e2

Subniveles y número máximo de electrones en

cada nivel de energía Nivel Subnivel e–

1 o K 1s2 2

2 o L 2s2 2p6 8

3 o M 3s2 3p6 3d10 18

4 o N 4s2 4p6 4d10 4f14 32

5 u O 5s2 5p6 5d10 5f14 32

6 o P 6s2 6p6 6d10 18

7 o Q 7s2 7p14 8

K

1

L

2

M

3

N

4

O

5

P

6

Q

7n

Niveles de energía (n) de los electrones en la nube electrónica

Los cambios de órbita de los electrones


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La nube electrónica según la mecánica cuánticaLuego de que el modelo de Bohr fuera aceptado, algunos estudios sobre mecánica cuántica, la ciencia que se encarga del estudio de los fenómenos físicos a escala microscópica, arrojaron evidencias como:

• La dualidad de la materia. En 1924, el francés Louis de Broglie enunció el principio de que existe una onda asociada a toda partícula en movimiento. A este principio se le denominó dualidad de la materia, porque un electrón en movimiento se debe comportar a la vez como onda y como partícula.

• El principio de incertidumbre. En 1927, Heisenberg concluyó que, dado que el electrón se define como onda y como partícula, no se puede determinar su posición y velocidad simultáneamente.

Estos principios condujeron a reformular el concepto de átomo. El físico Erwin Schrödinger (1887-1961) consideró que la idea de Bohr sobre la trayectoria definida del electrón, debe sustituirse por la probabilidad de hallarlo en una zona del espacio alrededor del núcleo atómico. Esta probabilidad configura una nube o densidad de carga electrónica, de modo que las regiones donde existe una alta probabilidad de encontrar al electrón, son las zonas de alta densidad electrónica.

Schrödinger propuso la llamada ecuación de onda, una ecuación matemática que delimita las regiones en donde la probabilidad de hallar un electrón en un momento dado es muy alta. Este espacio corresponde, más o menos, a los orbitales establecidos por Bohr, por lo que el concepto de niveles y subniveles de energía se mantiene en este modelo actual del átomo. Así se tiene:

• Niveles de energía (n). Región de la nube electrónica donde se encuentran los electrones con energía similar. Se designan con números del mismo modo en que se enumeraban en el modelo de Bohr. A medida que aumenta el nivel de energía, aumenta la distancia con respecto al núcleo.

• Subniveles de energía (l). Cada nivel de energía está constituido por uno o más subniveles, dado que los electrones de un mismo nivel no tienen exactamente la misma energía. Los subniveles se designan por las letras: s, p, d, f, y cada uno tiene una capacidad fija para alojar electrones.

• Orbitales. Dentro de cada subnivel, los orbitales representan la región de la nube electrónica donde la posibilidad de encontrar un electrón es estadísticamente más probable. Un orbital alberga como máximo dos electrones, que se diferencian por el sentido de giro sobre su eje.

El método de la lluviaLos electrones de un átomo no ocupan los niveles y subniveles de energía de forma desordenada. Aunque no se puede saber la posición espacial de un electrón en un momento dado, su ubicación en los nive-les y subniveles de energía se man-tiene, a menos que absorban o liberen energía.

Como regla gene-ral, los electrones llenan los niveles de energía en forma ascendente; desde los más cercanos al núcleo hasta los más alejados. El método de la lluvia se usa como procedimiento didáctico para mostrar el orden de llenado de los subniveles y niveles de energía de los átomos.

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Ejemplos de subniveles de energía El subnivel s solo admite dos electrones, independientemente si está en el nivel 1, 2 o 3.

El subnivel p, que admite seis electrones, está conformado por 3 orbitales p, que se denominan px, py y pz según su orientación espacial, y en el que cada uno admite dos electrones.

1s

2s 2p

7s 7p

3s 3p 3d

6s 6p 6d

4s 4p 4d 4f

5s 5p 5d 5f

K

L

N

O

P

Q

M

Orbital 1s Orbital 2s

Orbital pz

Orbital py Orbital px


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La formación de ionesUn átomo eléctricamente neutro tiene igual número de electrones y de protones, aunque estos pueden perder o ganar electrones para formar iones. Los iones pueden ser de dos tipos:

• Cationes. Iones que se forman por la pérdida de electrones. En ese caso el átomo deja de ser neutro porque excede en protones a los electrones de la nube electrónica. El átomo queda entonces cargado positivamente, como en el caso del ion sodio Na1, el cual se forma al perder un electrón.

• Aniones. Iones que se forman tras la ganancia de electrones. Estos iones tienen carga negativa pues exceden en electrones al número de protones en el núcleo. Por ejemplo, el ion cloruro Cl2 es un anión que tiene 18 electrones en vez de 17.

Las interacciones entre partículas subatómicas: la interacción nuclear fuerteAdemás de las interacciones electromagnéticas que suceden entre partículas con carga eléctrica, como los neutrones y los protones, en el núcleo del átomo está presente otra clase de fuerza llamada interacción nuclear fuerte.

La interacción nuclear fuerte actúa entre partículas subatómicas que están muy cercanas entre sí, como en el caso de los protones y neutrones en el núcleo. Esta fuerza es superior a la fuerza eléctrica que tiende a separar los protones unos de otros. La fuerza nuclear mantiene las interacciones protón-protón, protón-neutrón y neutrón-neutrón, de modo que el núcleo atómico se mantiene estable. Sin embargo, debido a que la fuerza nuclear fuerte solo se da entre protones y neutrones adyacentes, la estabilidad del átomo depende de su tamaño.

Los núcleos de átomos muy grandes tienden a ser menos estables que los pequeños. Esto se debe a que mientras el átomo es más grande, mayor será el número de protones en el núcleo que se tienen que estabilizar, y en un átomo grande no todos los nucleones son vecinos. En estos casos, las fuerzas nucleares son superadas por las fuerzas eléctricas y la presencia de neutrones extra causa inestabilidad, por lo que se descompone emitiendo partículas subatómicas en forma de radiación, para adquirir una configuración más estable.

Las fuerzas nucleares fuertes son determinadas por la energía de enlace del núcleo, que puede definirse como la energía necesaria para mantener ligados a los nucleones. Esta energía se identifica a su vez con la liberada en la formación de un núcleo a partir de los nucleones constituyentes.

Sales disueltas como electrolitosCasi todas las sales solubles son compuestos iónicos, tanto en estado sólido como en solución, y se las llaman electrolitos cuando sus iones libres dan lugar a un soluciones que son conductoras de corriente eléctrica.

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Fuerza repulsiva

p1

p1

n

n

Interacción nuclear fuerte

Núcleo de helio (He)


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1 Responde los siguientes planteamientos: a) ¿Por qué han existido diferentes modelos para explicar la estructura del átomo

a lo largo de la historia? b) ¿Qué se entiende, en el modelo de Bohr, por niveles y subniveles de energía? c) ¿Por qué los átomos con un número atómico elevado son menos estables

que los átomos con número atómico bajo? d) ¿Cuál es la razón para que se asegure que casi el 99% de la masa del átomo

se encuentra en el núcleo? Demuéstralo con un ejemplo. e) ¿Es posible interpretar gráficamente un átomo de oro, según el modelo atómico actual?

¿Por qué? ¿Cómo la harías?

2 Señala las diferencias entre: a) Aniones y cationes b) Isótopos e iones c) Protones y electrones d) Neutrones y protones

3 Elabora un cuadro sobre las partículas subatómicas de los siguientes elementos y sus iones. Usa la información que se encuentra en la tabla periódica para completar seis columnas que incluyan: Nombre y tipo de partícula, número de electrones, de protones y de neutrones, y configuración de los niveles y subniveles de energía utilizando el método de la lluvia.

4 Elabora una tabla para comparar el modelo atómico de Thompson con el modelo atómico actual, basado en la mecánica cuántica.

5 Resuelve los siguientes problemas: a) El litio tiene dos isótopos de número másico 6 y 7. La masa molar del litio que se encuentra

en la naturaleza está formada por una mezcla de los dos isótopos, y tiene un valor de 6,94. Calcula el porcentaje de cada isótopo en esta mezcla.

b) Un átomo tiene número atómico 20 y masa atómica 40, responde:

• ¿Cómo está constituido su núcleo? • ¿Cómo están distribuidos sus electrones? • ¿En qué período del sistema periódico se encuentra situado? • ¿En qué grupo del sistema periódico se encuentra situado?

NombreTipo

de partículaNúmero

de electronesNúmero

de protonesNúmero

de neutronesConfiguración

electrónica

Elemento Li B r P t C a S S i

Ión Li1 Br2 Pt21 Ca21 S22 Si41


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Átomo

Química cotidianaEl tubo de rayos catódicos y el televisorDesde los inicios de la televisión, y por muchas décadas, el televisor, y luego los monitores de las computadoras, funcionaron exclusivamente basados en el tubo de rayos catódicos. Aún hoy en día, muchos hogares siguen utilizando estos modelos. Estos monitores tienen en su interior un tubo al vacío que proyecta un haz de electrones hacia una región ampliada que hace de pantalla. La pantalla está cubierta en su interior de fósforo, que brilla cuando es alcanzado por el haz de electrones. Para ajustar la imagen una serie de bobinas, que funcionan como imán, permiten enfocar el rayo de electrones en la pantalla.

Esta tecnología, vigente durante casi ochenta años, ha sido desplazada actualmente por los televisores de pantalla plana con tecnología led o LCD, que funcionan bajo otros principios.

Análisis y aplicación Revisa en tu hogar, o en casa de algún familiar, si hay un televisor de tubo de rayos catódicos, y compáralo con un televisor de plasma o LCD. Puedes también buscar ambos modelos en la Web.

tiene

constituido por

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constituido por

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Nube electrónica

Protones

Iones

TV de tubo de rayos catódicos

TV plasma


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El enlace químicoTEMA 3

ACTÍVATE

¿De qué manera se combinan los átomos para formar las moléculas y dar estructura a la materia? ¿Por qué crees que existe materia en diversos estados físicos a una misma temperatura?

La naturaleza del enlace químicoEl enlace químico se puede defi nir como la interacción que existe entre los átomos que conforman una molécula. Esta interacción es de naturaleza variable; es decir, no es exactamente igual para todos los compuestos y depende en gran medida de las características de los átomos que forman el enlace.

El enlace químico se produce por la interacción de los electrones más alejados del núcleo de dos átomos diferentes. Estos electrones se encuentran en un nivel de energía defi nido que se llama capa de valencia. La capa de valencia está determinada por la confi guración electrónica de los átomos.

La configuraión electrónica de un átomo es la forma abreviada de representar la distribución de los electrones en los diferentes niveles y subniveles de energía disponibles para un átomo. Esta representación se basa en premisas muy claras, todas consistentes con el modelo mecano-cuántico del átomo. Estas premisas son:

El principio de mínima energía Establece que los electrones se alojan primero en los niveles, subniveles y orbitales de más baja energía y progresivamente van llenando niveles más energéticos. Esta distribución sigue la regla de la lluvia en la mayoría de los casos.

En el boro, el orbital 1s y está lleno. Los dos electrones están en el mismo nivel de energía (1), en el mismo subnivel y el mismo orbital (s), pero tienen espines opuestos. El espín siempre tiene al valor de ½ (� ) y ½ ( ) según el electrón gire en sentido a favor u opuesto a las manecillas del reloj.

En el boro, se llena primero el orbital 1s, luego el orbital 2s y el electrón restante se aloja en uno de los orbitales p. En el oxígeno (Z = 8), hay ocho electrones distribuidos en los niveles 1 y 2. En el nivel 2p habría 4 electrones.

2. El principio de exclusión de Pauli 3. La regla de Hund

El primer par de electrones se aloja en el orbital 1s (2e-).El segundo par de electrones se aloja en el orbital 2s (2e-).El último electrón se encuentra en un orbital p del nivel 2 (1e-).

•

•

•

1s

Boro

Oxígeno

1S2 2S2 2P11S1 2S1 2P3

CorrectaIncorrecta

1S2 2S2 2P4

Correcta

1.

+ -

K

L

N

O

P

Q

M

Por ejemplo, el boro tiene un número atómico Z = 5, es decir que tiene 5 electrones en la nube electrónica. Si se observa el esquema del método de la lluvia se tiene que:

Establece que los electrones de un determinado subnivel de energía se alojan en orbitales diferentes hasta que todos tengan al menos un electrón, y luego se completa cada uno de los orbitales según el principio de exclusión de Pauli.

Establece que un orbital admite solo dos electrones y que estos deben girar en sentido opuesto. Se representan con flechas en direcciones opuestas.

La confi guración electrónica de un átomo

162 la Estructura dE la matEria

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La configuración electrónica y la capa de valenciaLa capa de valencia de un átomo es el último nivel energético donde hay electrones. Por ejemplo, para el boro, la capa de valencia es el nivel 2p. En el caso del grupo VIIIA de la tabla periódica, y con excepción del helio que tiene dos electrones, todos los gases nobles tienen ocho electrones en su último nivel de energía. Esta configuración electrónica les confiere gran estabilidad a sus átomos, pues los electrones de la última capa están todos apareados llenando los orbitales. Por eso, los gases nobles no suelen combinarse con otros átomos y son muy estables.

La regla del octetoLa capacidad de los átomos de reaccionar y enlazarse con otros está relacionada con la búsqueda de una mayor estabilidad electrónica. En 1916 G. Lewis y W. Kossel, propusieron la regla del octeto, en la que para la formación de un enlace químico, los átomos reciben, ceden o comparten electrones con otros átomos, completando ocho electrones en su último nivel de energía, para adquirir la configuración del gas noble más próximo de la tabla periódica. Para cumplir esto, algunos átomos ceden electrones, otros los ganan y otros los comparten.

Los átomos pueden lograr la configuración electrónica de un gas noble mediante dos tipos de enlaces: el iónico y el covalente.

El enlace iónicoEl enlace iónico se produce cuando un átomo metálico cede electrones a uno no metálico. De este modo, el átomo que pierde electrones se convierte en un catión, de carga positiva; y el que ha ganado electrones se convierte en un anión, de carga negativa. Ambos iones, por tener carga contraria, se atraen debido a fuerzas de atracción electrostáticas y quedan unidos. El enlace iónico es la fuerza de atracción que mantiene unidos a los iones positivos con los negativos.

En todo enlace iónico existe una transferencia de electrones entre los átomos. Los compuestos que tienen este tipo de enlace se llaman compuestos iónicos y son la mayoría de los compuestos inorgánicos. Los compuestos iónicos son eléctricamente neutros a pesar de estar constituidos por iones, ya que contienen igual carga positiva y negativa.

El enlace iónico se puede representar usando las estructuras de Lewis, es decir, puntos que representan los electrones en la capa de valencia de un átomo. Por ejemplo:

Sodio. Tiene un electrón en la capa de valencia. Al cederlo su capa de valencia queda sin electrones, pero el siguiente nivel tiene 8 e2 cumpliendo la regla del octeto y adquiriendo la configuración electró-nica del gas noble neón.Cloro. Tiene siete electrones en la última capa electrónica y tiende a ganar un electrón para tener la configuración del gas noble argón.Calcio. Tiene dos electrones en la capa de valencia. Al cederlos adquiere la configuración del gas noble argón.Flúor. Tiene siete electrones en la capa de valencia. Al ganar un electrón adquiere la configuración electrónica del gas noble neón.

Na • Cl Na� [ Cl ]–

Ca Ca�2 [ ]2

F

F

–1F

Na • Cl Na� [ Cl ]–

Ca Ca�2 [ ]2

F

F

–1F

Cuando se forman los cationes y los aniones, la nube electrónica de los áto-mos cambia. En la formación del fluoruro de litio (LiF), el litio pierde un electrón del nivel 2s y adquiere la configuración 1s2 del helio, mientras que el flúor gana un electrón y completa ocho electrones en el nivel 2, adquiriendo la configura-ción del neón.

Variación de las nubes electrónicas de los iones en la formación de compuestos

Átomo de litio

Ion de litio

Átomo de flúor

Ion de flúor

El EnlacE químico 163

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Los cristales o sólidos cristalinosA temperatura ambiente no existen compuestos iónicos en estado gaseoso ni líquido, permanecen en estado sólido. Eso se debe a que forman cristales, que están constituidos por partículas ordenadas en un patrón geométrico definido que se repite numerosas veces. El arreglo tridimensional de estas partículas forma la red o retículo cristalino cuya unidad geométrica se llama celda unidad. Los cristales son de varios tipos:

• Iónico. Formado por iones unidos por fuerzas electrostáticas, como el cloruro de sodio (NaCl) o el nitrato de sodio (NaNO2).

• Molecular. Formados por moléculas que pueden ser no polares, como el yodo (I2), o polares, como el agua (H2O).

• Covalente. Formado por átomos unidos por enlaces covalentes, como el diamante, el grafito o el óxido de silicio (SiO2).

En general, los sólidos cristalinos están unidos por fuerzas intermoleculares de diferente naturaleza, como enlaces metálicos, atracciones entre iones o enlaces covalentes, además de enlaces de hidrógeno y fuerzas de Van der Waals.

El enlace covalenteTodos los átomos son diferentes y tienen propiedades distintas de acuerdo a su configuración electrónica. Algunos átomos no tienen la capacidad de atraer o ceder electrones con tanta facilidad y por ende no se produce una transferencia electrónica, por lo que se observa otro fenómeno diferente: los átomos, en vez de transferir electrones, los comparten en la capa de valencia, de tal manera que ambos cumplen la regla del octeto. Este tipo de enlace se denomina enlace covalente.

El enlace covalente ocurre en compuestos moleculares de elementos no metálicos, como el CO2 o el H2O. Los enlaces covalentes pueden ser polares o no polares y comunes o dativos.

Enlace covalente no polar y enlace covalente polarUn enlace se puede clasificar como no polar o polar según las electronegatividades de los átomos que lo componen.

La electronegativi-dadLa electronegatividad es una medida de la capacidad de un átomo de atraer elec-trones. Este factor permite la captura de electrones de valencia entre los átomos que forman el enlace y sirve para predecir el tipo de enlace que se forma. Los elementos pueden ser electrone-gativos o electroposi-tivos.

• Elementos electro-negativos. Tienden a ganar electrones. Los no metales son electronegativos.

• Elementos electro-positivos. Tienden a perder o ceder electrones. Los me-tales son elementos electropositivos.

Zoom

Enlace covalente no polar. Se forma entre átomos iguales, o diferentes, siempre y cuando la diferencia de electronegatividades sea cero o muy pequeña. En este enlace, los electrones son atraídos por ambos núcleos con la misma intensidad, generando moléculas cuya nube electrónica es uniforme.

Estructura cristalina

F–

Ca2+

02–

Ti4–

La estructura cristalina del fluoruro de calcio obedece a las características de un cristal iónico.

ClH H Cl

Ejemplo: HCl

Enlace covalente polar. Se forma entre átomos diferentes cuya diferencia de electronegatividad es alta. En este enlace, el átomo más electronegativo atrae con mayor intensidad a los electrones compartidos. Esto crea una diferencia en la distribución de la nube electrónica, que se hace más densa alrededor del átomo más electronegativo (2).

Ejemplo: Cl2

ClCl Cl Cl


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Enlace covalente común y enlace covalente dativoLos enlaces también se pueden clasificar de acuerdo con la cantidad de electrones que aportan los átomos para compartir con los otros átomos. Así, se tiene:

El enlace metálicoEl enlace metálico es el que se establece entre un gran número de cationes que se mantienen unidos por una nube de electrones. Este es el tipo de enlace que mantiene unidas, por ejemplo, a las partículas que forman los metales, tales como el sodio, el cromo o el aluminio.

Los metales están formados por átomos de un mismo elemento metálico que se unen formando redes cristalinas, constituidas como esferas iguales empacadas de la manera más compacta posible. Este tipo de red metálica se forma como consecuencia de la configuración electrónica de los metales que, en el último nivel energético, tienen pocos electrones. Estos electrones son pobremente retenidos, por lo que fluctúan de un átomo a otro y pertenecen simultáneamente a todos los átomos de la red, sin estar ligados a uno en particular. De esta manera, por breves períodos, todos los átomos de la red llegan a cumplir con la regla del octeto.

Esta nube de electrones es la que confiere a los metales las propiedades de buena conducción de calor y electricidad, ya que, bajo la influencia de acciones externas, como diferencia de potencial eléctrico o de temperatura entre dos puntos, los electrones pobremente retenidos se mueven libremente en una dirección determinada facilitando la variación de temperatura o el establecimiento de una corriente eléctrica.

Enlace covalente común. Cada átomo aporta un electrón del par que comparte (el esquema solo representa la capa de valencia de los átomos).

Rojo. Metales muy reactivos. Forman compuestos iónicos estables y solubles.Verde. Metales muy reactivos. Se encuentran en forma de carbonatos y sulfatos.

Azul. Metales con gran tendencia a formar sulfuros.Amarillo. Metales reactivos.

Blanco. Metales nobles. Poco reactivos.

Enlace covalente dativo (o coordinado). El par de electrones compartido solo es aportado por uno de los átomos (el esquema solo representa la capa de valencia de los átomos).

En la representación de la red de un cuerpo metálico, los iones positivos (cationes) se ilustran como esferas, y los electrones libres forman la nube electrónica que mantiene unidos a los cationes.

La red metálica

O

HH

Li

Na

K

Rb

Cs

Be

Mg

Ca

Sr

Ba

Sc

Y

La

Ti

Zr

Hf

V

Nb

Ta

Cr

Mo

W

Mn

Tc

Re

Fe

Ru

Os

Co

Rh

Ir

Ni

Pd

Pt

Cu

Ag

Au

Zn

Cd

Hg

Al

Ga

In

Tl

Ge

Sn

Pb

O

O

O

S

Reactividad de los metales en la tabla periódica

O HH

Covalentedativo

S OO

O

Covalente común

Covalente dativo


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Estado natural

Punto de fusión

Dureza

Capacidad conductora de calor y electricidad

Solubilidad en agua

1 Señala si las siguientes configuraciones electrónicas cumplen o violan el principio de mínima energía, el principio de exclusión de Pauli o la regla de Hund y explica por qué. Escribe la configuración electrónica correcta si fuera el caso.

a) Sodio (Na) Z 5 11 1s2 2s3 2p5 3s1

b) Azufre (S) Z 5 16 1s2 2s2 3s2 2p6 3p4

c) Aluminio (Al) Z 5 13 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1

d) Calcio (Ca) Z 5 20 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d1

2 Escribe la configuración electrónica de los siguientes átomos y responde a lo que se formula.

a) Configuración electrónica de los gases nobles helio, neón y argón.

b) Configuración electrónica del potasio, oxígeno, berilio y cloro.

c) Identifica la capa de valencia de los átomos de la pregunta b, e indica cuántos electrones tiene cada uno de ellos en la capa de valencia.

d) Compara las configuraciones electrónicas de los átomos de la pregunta b con los gases nobles y, con la información de la pregunta c, señala cuáles de estos átomos formarán cationes y cuáles aniones. Indica las cargas respectivas que tendrían sus iones.

e) Propón dos compuestos iónicos que se formen con los elementos señalados en la pregunta b y escribe las estructuras de Lewis correspondientes.

3 Investiga sobre la red cristalina del diamante y del grafito y señala sus semejanzas y diferencias.

4 Examina los compuestos y resuelve lo que se pide: a) Dibuja la estructura de Lewis de los siguientes compuestos covalentes: amoníaco (NH3), agua

(H2O), dióxido de carbono (CO2), ozono (O3) y óxido de azufre (SO2) (recuerda que se debe escribir la configuración electrónica de los átomos involucrados en el enlace).

b) A partir de la estructura de Lewis, dibuja una representación esquemática del enlace atómico que comparta los electrones.

c) Clasifica cada enlace según su polaridad como covalente polar o covalente no polar.

d) Clasifica cada enlace como covalente común o covalente dativo.

5 Elabora un cuadro comparativo con las diferencias entre los compuestos con enlace iónico, covalente y metálico.

Compuestos iónicos Enlace covalente Enlace metálico

Sólidos a excepción del mercurio que es líquido

Altos

Blandos, a menos que formen cristales como el diamante


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Química cotidiana¿Qué hace “noble” a un elemento?La palabra noble es un término que se mantiene desde los principios de la química, en época de la alquimia, cuando se decía que era noble una sustancia que tenía baja reactividad. También, en el caso del oro y la plata, eran metales utilizados en joyas y monedas de alta denominación, así, existían los metales nobles.

Los gases nobles fueron descubiertos mucho después que el oro, en 1868; durante un estudio del espectro de la cromósfera solar, en el que se detectó una línea de absorción amarilla de una sustancia desconocida. Esta sustancia se llamó helio, en honor al dios sol griego Helios. La baja reactividad de los gases nobles se debe a que su capa de valencia tiene el número total de electrones que puede admitir, lo que hace que el átomo sea muy estable.

El caso del oro es un poco más complejo, pero se explica con el mismo principio. El oro tiene Z 5 79 y es un metal de transición en el que han llenado orbitales d y f. Su confi guración electrónica completa debería ser:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d9.

Sin embargo, sucede algo curioso: un electrón de la capa 6s pasa a completar la capa 5d, por lo que esta se completa y adquiere gran estabilidad, pues una capa d llena genera más estabilidad que una capa s llena. Su nueva confi guración es entonces:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6s1

Análisis y aplicación Consulta cómo es la confi guración electrónica de la plata y establece las semejanzas y las diferencias con la confi guración del oro.

Enlace químico

La electronegatividad del átomo

se clasifi ca en

depende de

Dada la importancia del inter-cambio económico entre los pueblos de la antigüedad, mu-chas de las primeras monedas de alta denominación fueron elaboradas de oro o plata, por el carácter noble de estos metales.


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Defecto de masa y energía de uniónLa masa de un núcleo es en realidad menor que la suma de las masas de los protones y neutrones que lo constituyen. Esta dife-rencia se llama defecto de masa, y su energía equivalente se llama energía de unión, la cual se necesita para rom-per un núcleo en sus protones y neutrones. Cuanto mayor sea la energía de unión, más estable será el núcleo. Por ejemplo, el hierro (Z526) tiene una ener-gía de unión muy alta, y por tanto su núcleo es muy estable.

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La radiactividadTema 4

acTívaTe

Con el accidente de la planta nuclear de Fukushima (Japón) en 2011, el debate sobre los riesgos de la energía nuclear volvió a darse. ¿Cuáles consecuencias tuvo este desastre? ¿Por qué es riesgoso el uso de la energía nuclear?

La estabilidad nuclear y la radiactividadLa estabilidad de un núcleo depende del número de neutrones y protones que este tenga. Debido a que los protones tienen carga positiva y se repelen entre sí, se necesitan neutrones para disminuir esta repulsión. Para que un núcleo se mantenga estable el número de neutrones debe ser igual o mayor al número de protones (la relación neutrón/protón debe ser 1 o mayor de 1). Los núcleos con esta condición se llaman isótopos estables.

Sin embargo, cuando un núcleo tiene un número mayor de protones que de neutrones, prevalecen fuerzas de repulsión sobre las interacciones fuertes que mantienen unidos los nucleones, de modo que el núcleo o isótopo inestable sufre una desintegración espontánea con la emisión de partículas o radiación hasta formar núcleos estables. Así, la radiactividad es la desintegración del núcleo de un átomo inestable para formar otro diferente, más estable, con la consecuente emisión de partículas y/o radiaciones electromagnéticas. Los isótopos de núcleos pesados con número atómico mayor de Z 5 83 son inestables y se desintegran en forma radiactiva, por eso se les llama isótopos radiactivos.

Las reacciones nuclearesLas reacciones químicas se deben al intercambio de electrones y al arreglo de la configuración electrónica de dos o más átomos para formar compuestos. Las reacciones nucleares, por el contrario, ocurren como consecuencia de la inestabilidad de la composición nuclear y dan origen a elementos diferentes debido a que se altera el número de protones. La tabla muestra las principales diferencias entre ambas:

Reacciones nucleares Reacciones químicas

Son producidas por partículas nucleares. Son producidas por interacciones electrónicas.

Causan la conversión de un elemento en otro. Los átomos de los elementos no cambian.

Ocurren independientemente de condiciones ambientales. Ocurren dependientes de las condiciones ambientales.

Los isótopos de un mismo elemento tienen diferentes propiedades nucleares.

Los isótopos tienen iguales propiedades químicas.

La radiactividad nuclear de un elemento ocurre independiente de cómo este se halle: libre o combinado.

Las propiedades químicas de un elemento cambian al combinarse y formar un compuesto.

Diferencias entre las reacciones nucleares y las químicas


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Descubrimiento de la radiactividadLa primera evidencia de la radiactividad data de 1896 y se debió a las experiencias de Henri Becquerel (1852-1908), quien observó que los minerales de uranio (Z � 92) podían velar una placa fotográfi ca en ausencia de luz externa, por lo que concluyó que tenían la propiedad de emitir radiaciones de forma espontánea.

Posteriormente, los esposos Pierre Curie (1859-1906) y Marie Curie (1867-1934), retomaron las observaciones hechas por Becquerel y, luego de numerosos procedimientos experimentales, comprobaron que todos los minerales de uranio podían emitir radiaciones. Además aislaron otros dos elementos con idénticas propiedades: el polonio (Z � 84) y el radio (Z � 88).

Tipos de radiacionesLas radiaciones son partículas subatómicas. Un núcleo radiactivo puede emitir uno o varios tipos de radiaciones y sufre transformaciones diferentes en función de las radiaciones que emite. Hay tres tipos de radiaciones:

El estudio de la radiactividad le propor-cionó a la química y física polaca Marie Curie Sklodowska, el premio Nobel de Fí-sica en 1903; y en 1911 obtuvo el Nobel de Química por aislar el radio metálico.

Radiación beta (rayos β)Formada por electrones. Su carga es negativa y su masa es muy pequeña, por lo que viajan a una velocidad cercana a la de la luz. Tiene mayor poder de penetración que las partículas alfa.

Radiación gamma (rayos γ) �Radiación neutra, del mismo tipo que la luz. Tiene gran poder de penetración; para detenerla, es necesario utilizar gruesas placas de plomo o de hormigón.

Radiación alfa (rayos α)Partículas formadas por dos protones y dos neutrones (núcleos de helio), por lo que tienen una carga positiva, igual a dos veces la carga de un protón. Debido a que la masa y el volumen de las partículas alfa son relativamente elevados, estas radiaciones viajan a una velocidad menor que las otras radiaciones, y tienen un poder de penetración bajo. Se le llama también “radiación ionizante”. bajo. Se le llama también “radiación ionizante”.

Ser vivo Lámina de aluminio Placa de plomoo de hormigón

Cuerporadiactivo

Tipo de radiación Reacción nuclear

Alfa (�)Cuando el núcleo del radio (Ra) se desintegra, expulsa una partícula alfa y forma el radón (Rn): 226

88 Ra 22286 Rn � 4

2 He

Beta (�) Cuando el núcleo del polonio (Po) pierde un electrón, se convierte en astato (At).

Gamma (�) Cuando se desintegra el tecnecio emite rayos �:12552 Te 125

52 Te � �

Ejemplo de emisiones radiactivas

10 n 1

1 p � 0

�1 e 218

84 Po 21885 At � 0

�1 e

LA RADIACTIVIDAD 169

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Radiactividad natural y tiempo de vida mediaLa desintegración nuclear natural ocurre de manera aleatoria en un tiempo imprevisto; sin embargo, los científicos han logrado calcular el período de desintegración. Este período se refiere al tiempo que se necesita para que se desintegre la mitad de los núcleos inestables del isótopo, es decir, su tiempo de vida media.

Por ejemplo, el cesio-137 tiene una vida media de 30 años; esto quiere decir que, si se tienen 10 g del elemento, al cabo de 30 años quedarán solamente 5 g (la mitad se habrá desintegrado y transformado en otro isótopo). Pasados otros 30 años, quedarán solamente 2,5 g, y así sucesivamente.

Radiactividad artificialEl primer caso observado sobre radiactividad artificial fue en 1919, cuando Rutherford bombardeó el núcleo del isótopo nitrógeno-14 con partículas alfa y se formó un isótopo de oxígeno.

En 1934, Irene Joliot-Curie y su esposo Frédéric Joliot, aislaron el primer núcleo radiactivo producido por medios artificiales, por lo que ganaron el Premio Nobel en 1935.

Este núcleo radiactivo artificial era el 3015 P (fósforo) producido

al bombardear una lámina de aluminio con partículas alfa. Una vez producido el 30

15 P este se descomponía hasta formar silicio (Si) según la reacción:

La radiactividad artificial se le denomina “transmutación artificial” y ha permitido la síntesis de nuevos elementos con números atómicos superiores al uranio, llamados elementos transuránicos, cuyas vidas media son muy cortas, de unos pocos segundos.

Fisión y fusión nuclearBajo determinados procesos, los núcleos atómicos pueden sufrir cambios y transformarse en núcleos de átomos diferentes. Esta transformación ocurre por cualquiera de los dos mecanismos siguientes:

• Fisión nuclear. Este proceso se inicia al bombardear un núcleo grande con partículas, como neutrones; además de la generación de núcleos más pequeños, se liberan otros neutrones que rompen otros núcleos grandes mediante reacciones en cadena.

Esta reacción libera una gran cantidad de energía, denominada “energía nuclear”, la cual se aprovecha en las centrales nucleares para obtener energía eléctrica. Esta energía también es la responsable del efecto devastador de las bombas atómicas y de los misiles nucleares.

3015 Al 1 4

2 He 3015 P 1 1

0 n 30

15 P 3014 Si 1 0

1

Para la determinación de los tiempos de vida media se toma en cuenta el tiempo de desintegración de la mitad de los núcleos debido al carácter alea-torio de la desintegración nuclear.

Tiempo de vida media de algunos isótopos radiactivos

Isótopo Vida media

Plomo-211 25 segundos

Mercurio-206 7,7 minutos

Radio-223 7,8 días

Plomo-210 15,2 años

Radio-226 1,6 103 años

Carbono-14 5,73 103 años

Uranio-235 2,5 105 años

Plutonio-241 1,7 109 años

Uranio-238 4,5 109 años

Guerra atómica

Las bombas atómi-cas de Hiroshima y Nagaski, lanzadas en agosto de 1945, son ejemplos de la peli-grosidad de la energía nuclear.

Los daños genéticos que produjeron a la humanidad son tan graves, que aún per-sisten.

Salud y ambiente


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• Fusión nuclear. Algunos núcleos de átomos muy pequeños se pueden unir para dar lugar a núcleos de átomos mayores. Por ejemplo, dos átomos de hidrógeno (deuterio o tritio) pueden unir sus núcleos y convertirse en un átomo de helio. Este proceso, que tiene lugar en el Sol y en las demás estrellas, desprende mucha energía, por lo que constituye una magnífica fuente energética.

La fusión nuclear tiene la ventaja de no producir residuos radiactivos, pero tiene como desventaja que los átomos deben alcanzar temperaturas extraordinariamente altas, por lo cual la tecnología moderna actual aún no logra la fusión en condiciones rentables como para que pueda ser manejable por el ser humano.

Aplicaciones de la energía nuclearLa energía nuclear se considera el combustible del mañana en aplicaciones como:

Einstein y su famosa ecuaciónEn 1905, Albert Einstein llegó a la conclusión de que la masa se puede transformar en energía durante las reacciones nucleares. La ecuación que relaciona la masa y la energía es:

E 5 m c 2

Donde E representa la energía, m la masa y c la velocidad de la luz.

Conexos Con... FísiCa

Obtención de electricidad. La electricidad se genera en centrales nucleares, las cuales tienen un reactor nuclear conectado a un sistema de generación eléctrica. La energía que se obtiene en ellas es superior a la obtenida en una central termoeléctrica. La fisión nuclear de 1 g de uranio genera la misma cantidad de electricidad que la combustión de 2 500 kg de carbón. La energía nuclear se transforma en energía eléctrica de modo semejante a como la energía calórica se transforma en eléctrica en una central térmica.

Producción de radioisótopos. Los radioisótopos producidos en los reactores nucleares se emplean en diferentes campos: medicina, industria, agricultura, geología, arqueología, entre otros. Los radioisótopos se usan como trazadores de procesos químicos y biológicos, mediante el seguimiento de las radiaciones que se emiten.Algunas aplicaciones específicas de los radioisótopos son: • En medicina se usa el yodo-131 en la detección de anormalidades de la

glándula tiroides; el cobalto-60 y los rayos y X en el tratamiento del cáncer; el tecnecio-99 para obtener imágenes de órganos, como el corazón, el hígado y los pulmones; los rayos X también se usan para la obtención de radiografías; las radiaciones ionizantes se usan para la esterilización de instrumentales.

• En la industria, los trazadores permiten localizar fugas de líquidos o gases transportados subterráneamente a través de oleoductos.

• En la agricultura, los radioisótopos se usan para conservar frescos los vegetales por más tiempo, retardar su período de brote y eliminar microorganismos, sin afectar la calidad del producto.En la geología y arqueología, se usa el carbono-14 para estimar la edad de materiales orgánicos, como los fósiles, y el potasio-450 se para determinar la edad de las rocas.

21 H

31 H

42 H

10 H

La radiactividad 171

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1 Identifica qué casos se refieren a reacciones químicas y qué casos a reacciones nucleares. Explica tu escogencia.

a) Formación de bromuro de potasio b) Formación de helio c) Formación de nitrato de plata d) Descomposición del agua e) Descomposición del uranio

2 Resuelve el planteamiento: se ofrecen botellas de vino con una antigüedad de ochenta años. Si el contenido de tritio es 1/16 del contenido en el vino recientemente producido, ¿es cierto lo ofrecido? ¿Por qué? (Tomar en cuenta que el tiempo de vida media del tritio son 12,3 años).

3 Observa y analiza la siguiente reacción nuclear. Luego responde:

a) ¿Se trata de una fisión o una fusión nuclear?, ¿por qué? b) ¿Qué se produce durante la emisión de partículas alfa? c) ¿De dónde procede el radio?

4 Lee atentamente el texto y responde las preguntas con un sentido crítico. Tal vez los accidentes humanos de mayor magnitud han sido ocasionados por las centrales nucleares.

Por ejemplo, la explosión del reactor nuclear de Chernóbil (Ucrania) en 1986. Las escorias de esta explosión atómica afectaron a todo el hemisferio septentrional y, lo que es más alarmante, los efectos de la radiactividad liberada se prolongarán por décadas y las repercusiones genéticas por siglos. La causa de esta catástrofe fue la irresponsabilidad frente a las normas de seguridad establecidas. Sin embargo, los riesgos de la energía atómica, como los de otras tecnologías modernas, pueden reducirse en la medida que el personal de operación respete los sistemas reguladores y de control.

a) ¿Podemos considerar las aplicaciones de la tecnología nuclear como una amenaza para el planeta? ¿Por qué?

b) ¿Qué otros accidentes nucleares de magnitud semejante han ocurrido? c) ¿Qué crees que se debe hacer para aprovechar la energía nuclear sin riesgo alguno?

5 Analiza el siguiente texto y responde. Actualmente se realizan investigaciones encaminadas a crear sistemas de almacenamiento más seguros y

métodos de eliminación de material radiactivo. Algunas propuestas plantean lanzar la basura radiactiva al espacio; otras postulan almacenar los radioisótopos en cajas blindadas dentro de minas de sal. Sin duda estos son los principales desafíos de la tecnología nuclear, pero confiamos en que el ser humano logrará resolverlos.

a) ¿Cuál crees que es la manera más segura de eliminar la basura radiactiva, según el texto? b) ¿Cuál otra alternativa propondrías?

Radio Radón Helio


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Química cotidianaLa radioterapiaLos isótopos radiactivos tienen múltiples aplicaciones en la medicina; por ejemplo, se utilizan para curar ciertos tipos de cáncer. El cáncer hace que algunas células se reproduzcan rápidamente y originen un tumor. Los radioisótopos que emiten radiación de alta energía afectan al proceso de reproducción celular en un enfermo.

En la radioterapia, la radiación emitida por los núcleos que se desintegran de los isótopos como Au-198, Sr-90, Co-60, Cs-137, I-131, P-32, Ir-192, Y-90 o Pd-103, elimina más células cancerosas que células normales, ya que estas se reproducen más rápidamente. La radiación daña el ADN de las células cancerosas y por ello se inhibe su reproducción y crecimiento.

La radioterapia también puede ser llevada a cabo con rayos X de alta potencia. En muchos casos, se emplea de manera previa a una cirugía para reducir un tumor; o después de la cirugía para prevenir la reaparición de células cancerígenas. Para algunos cánceres, solo se puede aplicar radioterapia. Sin embargo, los efectos secundarios de la terapia son diversos: pérdida de cabello, náuseas, vómitos, edema, susceptibilidad a infecciones, fatiga o malestar.

Análisis y aplicación Nombra los radioisótopos que se emplean en radioterapia y explica por qué son elementos radiactivos.

El cáncer de tiroides es un tipo de cáncer que puede ser tratado solo con radioterapia o combinado con otro tipo de tratamientos.

El átomo

que originan

por medio de

que forma que forma

puede tener

que generan ocurren en elTransformaciones físicas

Elementos más livianos

Fusión nuclear

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Actividades de refuerzo Para realizar en el cuaderno

a) ¿Cuál es la principal diferencia entre el modelo de Dalton y el de Thomson?

• Niveles de energía • Partículas subatómicas • Superficie externa

b) Según el modelo de Thomson (“budín de pasas”), los electrones con carga negativa se encuentran:

• Girando alrededor del átomo • Incrustados en una masa uniforme

positiva • Girando alrededor del núcleo

c) El aporte del modelo de Rutherford fue: • Determinar el lugar de los protones. • Enunciar que los electrones giran

alrededor del núcleo en forma circular. • Determinar que el átomo tiene un

núcleo central pequeño de carga positiva y que a su alrededor giran los electrones en órbitas circulares.

d) La principal modificación que realizó Niels Bohr al modelo de Rutherford fue:

• La existencia de niveles de energía • La divisibilidad del átomo • La carga eléctrica del átomo

e) La diferencia más importante entre el modelo atómico actual y el de Bohr es:

• La probabilidad de hallar un electrón en el núcleo

• La probabilidad de hallar un electrón en un nivel

• La probabilidad de hallar un electrón en un orbital

Comprensión1 Asocia el concepto con la partícula

correspondiente.

Análisis y aplicación5 Analiza las imágenes y responde:

a) Partícula subatómica con carga positiva

b) Átomo del mismo elemento con número de masa diferente

c) Suma de protones y neutrones

d) Número de protones

2 Selecciona las premisas que se correspondan con el modelo atómico de Bohr.

a) El electrón puede ocupar cualquier zona esférica alrededor del núcleo.

b) En esa posición, el electrón gana y pierde energía.

c) El cuanto es el paquete de energía que emite el electrón cuando desciende a un nivel inferior.

3 Indica el número de electrones de un átomo que tiene lleno hasta el nivel 3s.

4 Responde: a) ¿Qué se puede afirmar del elemento

de configuración 1s2 2s2 2p6? • Tiene tres niveles de energía • Presenta cinco orbitales • Tiene cinco electrones • El orbital del último electrón

está incompleto b) ¿Qué se produce durante la emisión

de partículas alfa? • Compuestos diferentes • Átomos diferentes • Un elemento similar al primero • Iones similares

A- Isótopos

B- Número de masa

C- Protón

D- Número atómico

Thomson RutherfordDalton


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a) El proceso que se representa es:• Una reacción que involucra la nube

electrónica del átomo.• Una reacción que involucra al núcleo

del átomo.

b) Cuando se emiten partículas alfa, ¿qué sucede con el elemento radio?

• Pierde dos protones • Pierde dos protones y dos neutrones • Pierde dos electrones • Se convierte en helio

c) ¿Cuál es la carga eléctrica de los rayos alfa? • Negativa • Positiva • Neutra • Iónica d) Las partículas alfa tienen poco poder

de penetración. ¿Cuál de los siguientes materiales puede detenerlas antes que el resto?

• Madera • Acero • Papel • Aluminio e) ¿Qué elemento se forma cuando

el plutonio-239 se desintegra emitiendo una partícula alfa?

• Americio • Neptunio • Torio • Uranio

Opinión y síntesis7 Lee el texto y responde las preguntas: en

los últimos años se ha reabierto el debate sobre la conveniencia de fomentar de nuevo el uso de la energía nuclear. El calentamiento global y otros daños ambientales hacen que se piense en la energía nuclear como fuente más limpia que otras formas de energía. Por ello existe una intensa discusión acerca de la conveniencia o no de instalar centrales nucleares para producir energía. Esto se debe a que si bien esta forma de producción tiene sus ventajas, también presenta grandes peligros.

a) ¿Por qué se afirma que la energía nuclear es una energía “más limpia” que otras?

b) ¿Crees que el uso de energía nuclear sería la mejor solución para evitar los daños al ambiente? ¿Por qué?

c) En caso de aprobarse el uso de centrales nucleares en el país, ¿Qué propondrías para la seguridad de las personas y el ambiente?

d) Investiga sobre accidentes ocurridos en centrales nucleares, en especial en Ucrania y Japón, y sus efectos sobre el ambiente y las personas.

8 Analiza y responde: Gracias al trabajo dedicado de muchos científicos

actualmente se cuenta con una gran cantidad de conocimientos sobre la estructura de la materia. En sus investigaciones, las y los científicos descubrieron la enorme cantidad de energía disponible en los núcleos atómicos y trabajaron en sus aplicaciones. Algunas de ellas, como las armas nucleares, tienen efectos nefastos, pero otras son beneficiosas. Por ejemplo, ayudan a curar enfermedades como el cáncer y son una importante fuente de energía para mover máquinas y vehículos, y generar electricidad.

a) ¿Por qué crees que la ciencia debe ser un bien común y no particular?

b) ¿Qué hubiera sucedido si las y los expertos en física y química no hubieran integrado sus conocimientos?

c) ¿Por qué un descubrimiento científico puede tener aplicaciones negativas y a la vez beneficiosas?

6 Analiza y responde:

22688 Ra 222

88 Rn 1 42 He

radiación alfa

La estructura de La materia 175

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Profesiones y oficios científicos

Conexos con... Tecnología e inventiva

Los rayos cósmicos bombardean la superficie de la atmósfera con neutrones.

Los neutrones se fragmentan en la atmósfera produciendo pequeñas cantidades de 14C e hidrógeno.

Los animales incorporan por ingestión el carbono

de las plantas.

17 190 años más tarde, el cuerpo contiene 1/8 del 14C acumulado en vida.

70 000 años después de la muerte el cuerpo no contiene 14C apreciable o medible.

5 730 años después de su muerte, los cuerpos fósiles de animales y plantas contienen la mitad del 14C.

Neutrones

Átomo estable

Características del radiocarbonoSímboloNeutronesProtonesVida mediaMasa

14C86

5 730 años14,032 41 uma

14C

14C

Gracias al proceso de fotosíntesis, las plantas incorporan el átomo radiactivo de manera que la proporción 14C/12C en sus cuerpos es similar a la atmosférica.

1

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La masa del isótopo 14C en cualquier muestra orgánica disminuye a un ritmo exponencial: a los 5 730 años de la muerte de un ser vivo, la cantidad de 14C en sus restos se ha reducido a la mitad.

Prop

orci

ón d

el 14

C

Tiempo (años)

5 7301/321/16

1/8

1/4

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11 460 17 190 22 920 28 650

Ingeniería Geológica y Técnico en GeologíaEl Ingeniero Geólogo se dedica a investigar la corteza terrestre para conocer los elementos que la conforman y determinar parámetros útiles en la construcción de vías de penetración, embalses, canales de riego, puertos, desarrollos urbanos, túneles, entre otros. También realiza estudios y evaluaciones de reservas petroleras, de materiales y rocas, para utilizarlos en obras de ingeniería, geohidrología y geomorfología.

El Técnico Superior en Geología se vale de la fotointerpretación y de métodos geofísicos o geoquímicos en explotaciones geológicas y mineras. Trabaja en investigación mineralógica y participa en la explotación de minas, áreas de perforación, voladuras, carga, acarreo, ventilación de minas y seguridad industrial.

• Consulta cuáles son las diferencias y las semejanzas entre la Ingeniería Geológica y la carrera de Geología en sus variantes técnica y universitaria.

El radiocarbono o carbono-14

El radiocarbono o carbono-14 (14C) es un radioisótopo del carbono que se utiliza para determinar la edad los fósiles o restos arqueológicos que tengan material orgánico. Este método de datación es fi able en muestras orgánicas de menos de 60 000 años.

176 LA ESTRUCTURA DE LA MATERIA

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Los rayos cósmicos bombardean la superficie de la atmósfera con neutrones.

Los neutrones se fragmentan en la atmósfera produciendo pequeñas cantidades de 14C e hidrógeno.

Los animales incorporan por ingestión el carbono

de las plantas.

17 190 años más tarde, el cuerpo contiene 1/8 del 14C acumulado en vida.

70 000 años después de la muerte el cuerpo no contiene 14C apreciable o medible.

5 730 años después de su muerte, los cuerpos fósiles de animales y plantas contienen la mitad del 14C.

Neutrones

Átomo estable

Características del radiocarbonoSímboloNeutronesProtonesVida mediaMasa

14C86

5 730 años14,032 41 uma

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14C

Gracias al proceso de fotosíntesis, las plantas incorporan el átomo radiactivo de manera que la proporción 14C/12C en sus cuerpos es similar a la atmosférica.

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La masa del isótopo 14C en cualquier muestra orgánica disminuye a un ritmo exponencial: a los 5 730 años de la muerte de un ser vivo, la cantidad de 14C en sus restos se ha reducido a la mitad.

Prop

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Tiempo (años)

5 7301/321/16

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Kit para la representación tridimensional de moléculas

Propósito: componer un kit que permita crear modelos de moléculas de compuestos químicos.

Idea para la acción

1 Documentación• Formen equipos y recopilen información sobre los elementos y los compuestos químicos.

Consideren aspectos como valencias, tipos de enlace atómico o capacidad para formar moléculas (mono, di o poliatómicas), cristales o macromoléculas.

• Investiguen sobre los distintos tipos de representación molecular tridimensional de los compuestos químicos.

2 Planifi cación• Seleccionen el tipo de representación molecular tridimensional

que utilizarán para crear un kit de elementos para la representación tridimensional de compuestos químicos.

• Asignen los aspectos distintivos que caracterizarán a los distintos átomos de los elementos químicos y sus enlaces, como color, forma de los enlaces covalente, simple, doble o triple, entre otros.

• Decidan un número de moléculas a construir y calculen el número de átomos y de enlaces posibles. Creen un manual de instrucciones que explique cómo se construyen.

3 Organización de materiales• Decidan qué materiales utilizarán para la construcción

tridimensional de moléculas, por ejemplo, alambre, palillos, paletas de helado, bolas de anime, materiales reciclables, entre otros.

• Confeccionen una caja donde colocar, por separado, las distintas piezas de los átomos de los compuestos considerados y los tipos posibles de enlaces, así como los materiales para unirlos al construir la molécula de los compuestos.

• Adquieran el material según la lista de moléculas a construir y ordénenlo en la caja.

4 Puesta en acción

• Muestren en clase, o en una exposición escolar, cómo es la representación tridimensional de las moléculas escogidas, construyendo, varias moléculas orgánicas o inorgánicas.

• Animen al resto del grupo a construir moléculas a partir de una lista de compuestos posibles, siguiendo el manual de instrucciones elaborado previamente.

5 Evaluación• Comparen su kit con el de los otros equipos. Determinen las mejoras que pudieran

implementar en su propio kit o en el manual de instrucciones.• Analicen el desempeño de los integrantes del equipo en el desarrollo de la actividad.

LA ESTRUCTURA DE LA MATERIA 177

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LOGROS ESPERADOS

LA INDUSTRIA QUÍMICA El petróleo: ¿energía subterránea para mover el mundo?

U4

IDEA PARA LA ACCIÓNCampaña de promoción sobre el gas natural

Para este proyecto planifi -carán y desarrollarán una campaña sobre el uso del gas natural.

• Valorar el papel de la química en la indus-tria productiva nacional.

• Comprender la necesidad de avances tecnológicos en el área química como aportes que mejoran la calidad de la vida de las personas y del ambiente.

• Definir inquietudes intelec-tuales hacia profesiones y oficios relacionados con la química a nivel nacional.

En la actualidad el petróleo y sus derivados siguen siendo la mayor fuente energética para casi todos los procesos sociales y económicos del mundo. En forma de combustible, se usa extensamente en los vehículos de transporte terrestre, marítimo y aéreo. Sin embargo, el petróleo es un recurso natural no renovable, altamente contaminante.

personas y del ambiente.

Definir inquietudes intelec-tuales hacia profesiones y oficios relacionados con la

Bajo el subsuelo marítimo y terrestreEl petróleo se acumula en el subsuelo en forma natural, como producto de la descomposición de materia orgánica por millones de años. En algunos casos, las plataformas y torres de extracción de petróleo deben llegar a él mediante tuberías de extracción a miles de metros bajo el suelo. ¿Qué procedimientos propondrías para hacer ascender el petróleo, por una tubería desde 1 200 metros de profundidad, hacia la superficie?

Productos combustibles Los combustibles obtenidos por fraccionamiento como la gasolina o el gasoil, se destinan para los vehículos de transporte. Los compuestos más pesados se usan como aceites lubricantes.¿Por qué los hidrocarburos más livianos son más combustibles en comparación con los hidrocarburos más pesados?

Refinación El petróleo crudo extraído del suelo, debe ser procesado en las refineríaspara obtener las diversas fracciones de combustibles y otros compuestos orgánicos. Para ello se utiliza una torrede destilación fraccionada que separa los compuestos según su punto de ebullición. ¿Por qué las distintas fracciones de crudo se obtienena diferentes alturas en la torrede destilación fraccionada?

Uso energético En los vehículos a motor de gasolina el combustible funciona como un detonante gracias al contacto con la chispa eléctrica que genera la bujía en una cámara de combustión, lo que hace mover los pistonesdel motor, permitiendo que el carro se desplace. ¿De qué manera la detonación pone en movimiento al pistón?

Gases ligeros

Gas combustible(propano, o butano)

Gasolina

Parafina

Diesel

Asfalto

Lubricantes

Productos generados por destilación

Nafta

Esenciasespeciales

Gasoil

Aceiteslubricantes

Fuel-oil

Residuos pesados

Alambique Torre de destilaciónfraccionada(calentador)

Crackingcatalítico

Destilación al vacío

Cracking

Redestilación

b c d

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Querosén

178 LA INDUSTRIA QUÍMICA

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Para refl exionar y debatir¿Por qué el petróleo se considera un recurso natural no renovable si se obtiene de la descomposición de la materia orgánica? ¿En qué áreas tecnológicas intervienen los productos del petróleo y por qué son tan importantes para la humanidad? ¿Qué peligros tienen los combustibles provenientes del petróleo y cuáles alternativas se han propuesto para disminuir sus efectos?

Bajo el subsuelo marítimo y terrestreEl petróleo se acumula en el subsuelo en forma natural, como producto de la descomposición de materia orgánica por millones de años. En algunos casos, las plataformas y torres de extracción de petróleo deben llegar a él mediante tuberías de extracción a miles de metros bajo el suelo. ¿Qué procedimientos propondrías para hacer ascender el petróleo, por una tubería desde 1 200 metros de profundidad, hacia la superficie?

Productos combustibles Los combustibles obtenidos por fraccionamiento como la gasolina o el gasoil, se destinan para los vehículos de transporte. Los compuestos más pesados se usan como aceites lubricantes.¿Por qué los hidrocarburos más livianos son más combustibles en comparación con los hidrocarburos más pesados?

Refinación El petróleo crudo extraído del suelo, debe ser procesado en las refineríaspara obtener las diversas fracciones de combustibles y otros compuestos orgánicos. Para ello se utiliza una torrede destilación fraccionada que separa los compuestos según su punto de ebullición. ¿Por qué las distintas fracciones de crudo se obtienena diferentes alturas en la torrede destilación fraccionada?

Uso energético En los vehículos a motor de gasolina el combustible funciona como un detonante gracias al contacto con la chispa eléctrica que genera la bujía en una cámara de combustión, lo que hace mover los pistonesdel motor, permitiendo que el carro se desplace. ¿De qué manera la detonación pone en movimiento al pistón?

Gases ligeros

Gas combustible(propano, o butano)

Gasolina

Parafina

Diesel

Asfalto

Lubricantes

Productos generados por destilación

Nafta

Esenciasespeciales

Gasoil

Aceiteslubricantes

Fuel-oil

Residuos pesados

Alambique Torre de destilaciónfraccionada(calentador)

Crackingcatalítico

Destilación al vacío

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TEMA 1

La hi

drósfera

Representa el conjunto de aguas del planeta y abarca el 71%

de la superficie total. Debido a que los cuerpos de agua reflejan parte de

la luz que incide sobre ellos, la Tierra es vista desde el espacio como una esfera prácticamente azul.

Del 100% de agua que contiene la Tierra, se estima que 97,5% corresponde a mares y océanos, y 2,5% a aguas dulces, que incluyen los ríos, lagos y lagunas, los casquetes polares, los acuíferos subterráneos y la atmósfera en forma de nubes y vapor de agua.Las aguas oceánicas (mares y océanos) presentan una altasalinidad debido a la presencia de iones disueltos, tales comolos aniones Cl�, SO , CO3H� o Br�, y los cationes Na�, Mg2� , Ca2� , K� .Para la composición química de las aguas continenta-

les (aguas dulces), los aniones más abundantes son CO3H� y SO , y los cationes son Ca2� y Mg2� . Sin embargo,

la presencia de estos iones depende del tipo de roca por la que discurra el agua, ya que el

principal origen de las sales presentes en los ríos y lagos proviene del proceso de

lavado de las rocas de la corteza.

La bi

ósfera

Este sistema abarca al conjunto de todos los seres vivos

del planeta y los medios en los que habitan, e incluye a los

componentes de la litósfera, la hidrósfera y la atmósfera. En la biósfera se ponen de manifiesto

las interrelaciones entre todos los componentes de la Tierra para la sustentación de la vida. Por ejemplo, las plantas extraen sus nutrientes de las sales minerales que se encuentran en el suelo (litósfera), disueltas en el agua (hidrósfera) y que son absorbidas por sus raíces; toman el dióxido de carbono del aire (atmósfera) y luego elaboran los carbohidratos y demás compuestos necesarios para mantenerse. Cuando los animales consumen los alimentos vegetales, los elementos químicos pasan a su cuerpo donde algunos forman parte luego de sus tejidos y otros son eliminados directamente en el suelo o son transportados a través de las aguas residuales para volver a formar parte de la circulación de la materia.

La at

mósfera

Constituye la envoltura gaseosa que rodea al planeta. Aunque está conformada principalmente por los gases nitrógeno, oxígeno y argón, otros gases

en menor cantidad como el dioxido de carbono, el ozono y el vapor de agua, ocasionan el efecto invernadero que

permite mantener una temperatura constanteadecuada para la vida en la Tierra.

Estos gases atmosféricos retienen gran parte de la radiacióninfrarroja emitida por el planeta y la devuelven de nuevo a la superficie terrestre, calentándola.La proporción, más o menos invariable durante miles deaños, de los gases invernadero ha permitido una temperaturaigualmente constante del planeta (ideal para el desarrollode la vida), sin embargo, actualmente las actividadeshumanas ligadas al uso inconsciente de la tecnología y a la superpoblación, están modificando la concentración de estos gases, con lo cual se genera un calentameinto global que pone en riesgo a los ecosistemas planetarios incluyendo a la propia especie humana.

La li

tósfera

Constituye la capa externa, sólida, de la tierra que engloba a la corteza terrestre, en la que se encuentran los suelos. Los

elementos químicos que predominan en la litósfera son: oxígeno, silicio, azufre, aluminio,

hierro, calcio, sodio, potasio y magnesio. La especial abundancia de oxígeno, silicio y azufre hace posible la

existencia predominante de compuestos como los óxidos, sulfuros y silicatos. El suelo está compuesto de partículas minerales, materia orgánica, agua, aire y organismos vivos. Constituye la parte de la superficie terrestre sobre la que se asienta la vida vegetal y animal.Los constituyentes del suelo son de dos tipos:• Constituyentes inorgánicos. Son productos derivados de la meteorización y constan principalmente de silicatos y óxidos.• Constituyentes orgánicos. Conformados principalmente por humus, son el resultado de la descomposición de los restos de seres vivos por acción de bacterias y hongos. Su presencia da calidad al suelo, retiene el agua y sirve como fuente de alimento a microorganismos, y contribuye con la fertilidad del suelo.En términos generales, el suelo tiene un 50% de materia sólida: 45% mineral y 5% orgánica, 20 a 30% de solución acuosa y 20 a 30% de aire.

32,1Hierro

Oxígeno

Silicio

Magnesio

Azufre

Níquel

Calcio

Aluminio

Otros elementos

30,1

15,1

13,9

2,9

1,8

1,5

1,4

1,2

Masa aproximada:5,98 . 10 kg

Composiciónquímica de lalitósfera

Total100%

24

(%)

42�

42�

La industria química y el ambienteACTÍVATE

Venezuela cuenta con muchas industrias que utilizan compuestos químicos para elaborar diversos materiales. ¿Qué productos fabrican las industrias de tu localidad? ¿Qué compuestos químicos utilizan como materia prima?

Composición química de los componentes de la TierraLa Tierra es un planeta del Sistema Solar que se formó hace aproximadamente 4 567 millones de años, en donde posteriormente se generaron las condiciones necesarias para el desarrollo y mantenimiento de las diferentes formas de vida, tal y como se conocen hoy en día. Es un planeta rocoso y geológicamente activo que está compuesto, en su interior, de roca derretida en constante movimiento. Por encima de esta, fl ota una costra de roca solidifi cada, la corteza terrestre, sobre la que a su vez se encuentran los océanos y la tierra fi rme.

La Tierra es un planeta apropiado para el desarrollo y mantenimiento de la vida debido a que constituye un sistema complejo en el que interaccionan diferentes componentes, tales como:

El deterioro de los suelos

Los residuos tóxicos provenientes de la minería, así como la contaminación por pesticidas, fertilizantes, y otros productos, unido a la falta de mecanis-mos para el tratamiento de la basura y de los desechos industriales, afectan gravemente la calidad de los suelos, que a su vez incide so-bre los seres vivos del planeta.

SALUD Y AMBIENTE

180 La industria química

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La hi

drósfera

Representa el conjunto de aguas del planeta y abarca el 71%

de la superficie total. Debido a que los cuerpos de agua reflejan parte de

la luz que incide sobre ellos, la Tierra es vista desde el espacio como una esfera prácticamente azul.

Del 100% de agua que contiene la Tierra, se estima que 97,5% corresponde a mares y océanos, y 2,5% a aguas dulces, que incluyen los ríos, lagos y lagunas, los casquetes polares, los acuíferos subterráneos y la atmósfera en forma de nubes y vapor de agua.Las aguas oceánicas (mares y océanos) presentan una altasalinidad debido a la presencia de iones disueltos, tales comolos aniones Cl�, SO , CO3H� o Br�, y los cationes Na�, Mg2� , Ca2� , K� .Para la composición química de las aguas continenta-

les (aguas dulces), los aniones más abundantes son CO3H� y SO , y los cationes son Ca2� y Mg2� . Sin embargo,



lavado de las rocas de la corteza.

La bi

ósfera

Este sistema abarca al conjunto de todos los seres vivos

del planeta y los medios en los que habitan, e incluye a los

componentes de la litósfera, la hidrósfera y la atmósfera. En la biósfera se ponen de manifiesto

las interrelaciones entre todos los componentes de la Tierra para la sustentación de la vida. Por ejemplo, las plantas extraen sus nutrientes de las sales minerales que se encuentran en el suelo (litósfera), disueltas en el agua (hidrósfera) y que son absorbidas por sus raíces; toman el dióxido de carbono del aire (atmósfera) y luego elaboran los carbohidratos y demás compuestos necesarios para mantenerse. Cuando los animales consumen los alimentos vegetales, los elementos químicos pasan a su cuerpo donde algunos forman parte luego de sus tejidos y otros son eliminados directamente en el suelo o son transportados a través de las aguas residuales para volver a formar parte de la circulación de la materia.

La at

mósfera





Las aguas oceánicas (mares y océanos) presentan una altasalinidad debido a la presencia de iones disueltos, tales comolos aniones Cl�, SO , CO3H� o Br�, y los cationes NaCa2� , K� .Para la composición química de las aguas continenta

les (aguas dulces), los aniones más abundantes son COy SO , y los cationes son Ca2� y Mg



lavado de las rocas de





Ca , K .Para la composición química de las aguas continentales (aguas dulces), los aniones más abundantes son CO

y SO , y los cationes son Cala presencia de estos iones depende del tipo de

roca por la que discurra el agua, ya que el principal origen de las sales presentes en

los ríos y lagos proviene del proceso de lavado de las rocas de

adecuada para la vida en la Tierra.Estos gases atmosféricos retienen gran parte de la radiacióninfrarroja emitida por el planeta y la devuelven de nuevo a la superficie terrestre, calentándola.La proporción, más o menos invariable durante miles deaños, de los gases invernadero ha permitido una temperaturaigualmente constante del planeta (ideal para el desarrollode la vida), sin embargo, actualmente las actividadeshumanas ligadas al uso inconsciente de la tecnología

La li

tósfera

Constituye la capa externa, sólida, de la tierra que engloba a la corteza terrestre, en la que se encuentran los suelos. Los

elementos químicos que predominan en la litósfera son: oxígeno, silicio, azufre, aluminio,

hierro, calcio, sodio, potasio y magnesio. La especial abundancia de oxígeno, silicio y azufre hace posible la

existencia predominante de compuestos como los óxidos, sulfuros y silicatos. El suelo está compuesto de partículas minerales, materia orgánica, agua, aire y organismos vivos. Constituye la parte de la superficie terrestre sobre la que se asienta la vida vegetal y animal.Los constituyentes del suelo son de dos tipos:• Constituyentes inorgánicos. Son productos derivados de la meteorización y constan principalmente de silicatos y óxidos.• Constituyentes orgánicos. Conformados principalmente por humus, son el resultado de la descomposición de los restos de seres vivos por acción de bacterias y hongos. Su presencia da calidad al suelo, retiene el agua y sirve como fuente de alimento a microorganismos, y contribuye con la fertilidad del suelo.En términos generales, el suelo tiene un 50% de materia sólida: 45% mineral y 5% orgánica, 20 a 30% de solución acuosa y 20 a 30% de aire.

32,1Hierro

Oxígeno

Silicio

Magnesio

Azufre

Níquel

Calcio

Aluminio

Otros elementos

30,1

15,1

13,9

2,9

1,8

1,5

1,4

1,2

Masa aproximada:5,98 . 10 kg

Composiciónquímica de lalitósfera

Total100%

24

(%)

42�

42�

Composición química de la atmósfera

Gases % en volumenN2 78,084

O2 20,946

Ar 0,934

Otros gases ppm

CO2 383

Ne 18,18

He 5,24

CH4 1,7

Kr 1,14

H2 0,55

NO 0,31

Xe 0,08

CO 0,05

O3 0,02- 0,03

H2O(g) Variable

La industria química y eL ambiente 181

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Industria química e impacto ambiental El desarrollo industrial acelerado, junto con el aumento excesivo de sustancias contaminantes, ha generado alarma mundial debido a su efecto en el deteriorioro de los ecosistemas. Algunos de los contaminantes de la actividad industrial son: el dióxido y el monóxido de carbono (emanados de la combustión para la producción de energía), el dióxido de azufre (producido por las centrales eléctricas y fábricas) o los óxidos de nitrógeno (producidos por el uso de fertilizantes). Por esto existen leyes y normas que el sector industrial está en la obligación de cumplir a fin de evitar al máximo el deterioro ambiental.

La industria química y la transformación de los materialesDesde sus orígenes, el ser humano ha transformado los recursos naturales para utilizarlos en su beneficio. Luego, con el incremento de la población, sus necesidades aumentaron y se diversificaron, de manera que lo que inicialmente fue una transformación a escala reducida, se convirtió en un proceso sistemático y reproducible a gran escala.

Así el ser humano estableció la industria, que es el conjunto de operaciones y procesos de transformación de la materia prima, en un producto final de consumo masivo, utilizando una determinada tecnología. El objetivo central de la industria química es la extracción, transformación y procesamiento químico de los recursos naturales y de materiales sintéticos, en nuevos productos comercializables.

Clasificación de la industria química La industria química es muy diversa, pero puede ser clasificada en:

Química verdeHoy en día, la química busca reducir la conta-minación, mediante el uso de procesos que eviten el desperdicio y el uso de materias primas no renovables. Esta “química verde” trabaja en la disminu-ción o eliminación de productos químicos tóxicos y en el reciclaje de desechos urbanos e industriales, procuran-do un mínimo impacto sobre el ambiente.

Zoom

Industrias de baseEstas industrias trabajan con materias primas naturales y fabrican productos intermedios, que son el insumo o base de las industrias de transformación. Por lo general están localizadas en lugares próximos a las fuentes de suministros. Ejemplo de este tipo de industrias químicas y sus procesos son: • Industria siderúrgica. Transforma el hierro en acero en forma de planchas, vigas, cabillas, entre otros. • Industria de la celulosa. Somete a tratamiento químico la madera para la obtención de celulosa.• Industria petroquímica. Separa derivados del petróleo en compuestos químicos sencillos como

metano, butano o propano, para la obtención de fertilizantes, pesticidas, fibras sintéticas o plásticos.

Industrias de transformaciónEstas industrias elaboran productos de consumo directo, que pueden salir inmediatamente al mercado para su utilización. La química fina, como se le llama a este sector industrial, comprende la elaboración de diferentes productos, como por ejemplo:• Industria farmacéutica. Utiliza distintos compuestos químicos orgánicos e inorgánicos para

la obtención de medicamentos y otros productos para la salud. • Industria de los alimentos. Utiliza productos agrícolas, pesqueros, ganaderos y otros productos

químicos, para fabricar diferentes alimentos y bebidas.• Industria cosmética. Se vale de compuestos químicos variados para fabricar colorantes para el pelo,

detergentes, jabones, productos de maquillaje, cremas, entre otros.


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Operación típica de una industria químicaLa instalación de la industria química debe considerar, de forma anticipada y planifi cada, el lugar geográfi co más adecuado para su funcionamiento y los procesos específi cos para su operatividad.

TRABAJO

Ubicación espacial de una industria por cribadoEl cribado es un método que se usa en ingeniería indus-trial para determinar la mejor ubicación de una industria. Consis-te en emplear mapas esquemáticos de una región, sombreando en cada uno las zonas que son inadecuadas de acuerdo a aspectos que se consideran prioritarios. Luego se superponen los mapas y las zonas blancas, cribadas, representarán las regiones que no presentan inconvenien-tes para la ubicación de la industria.

Ubicación

Funcionamiento

Algunos de los aspectos que son considerados fundamentales para determinar la ubicación de una industria química son:

Algunos aspectos asociados con las operaciones o el funcionamiento de las industrias químicas son:

Cercanía de la materia primaEl acceso a la materia prima es importante puesto que influye en los costos del producto que se comercializa.

Acceso a fuentes de energía y servicios básicosEl funcionamiento óptimo de una industria química tiene que ver con la disponibilidad de las principales fuentes de energía utilizadas como suministro de energía eléctrica y agua.

Dimensión del espacio físicoLa actividad industrial, por lo general, requiere de un espacio que abarque las diferentes áreas de trabajo, lugares de producción, oficinas, salas de descanso y espacios afines.Proximidad de las zonas de consumoLa cercanía a los centros de consumo hacen a la industria más rentable, no obstante estas empresas deben estar a distancias apropiadas de zonas pobladas según sus potenciales agentes contaminantes, como residuos químicos o sonidos perturbadores.

Impacto ambientalLa industria química puede generar desechos tóxicos cuyas consecuencias deben ser evaluadas con rigurosidad a fin de determinar la ubicación que menor deterioro ambiental genere en la zona.

Disponibilidad de la materia primaLos insumos de materia prima deben ser adquiridos en cantidad suficiente a fin de garantizar una producción permanente.

Proceso de producciónConsiste en el conjunto de operaciones específicas que la industria desarrolla para la fabricación u obtención del producto químico en serie. Por lo general consta de varias fases o etapas.

Personal calificadoLos trabajadores de la industria deben estar debidamente capacitados para la actividad concreta que realizan.

Uso de tecnologíaSe refiere a los equipos, maquinarias y dispositivos tecnológicos que la industria utiliza para transformar la materia prima en el producto final comercializable. Tratamiento de los residuos contaminantes

Son las actividades que emprende la industria química para convertir los residuos tóxicos en sustancias inocuas antes de ser descargadas al ambiente.

Medidas de seguridad Constituye el conjunto de normas y reglas que la empresa despliega para garantizar la seguridad de todo el personal que trabaja y que accede a la industria.

Aspectos operativos de las industrias químicas


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1 Señala los elementos químicos principales que componen la Tierra haciendo uso de la simbología química.

2 Completa el cuadro sobre la composición química de los componentes del planeta Tierra utilizando fórmulas químicas.

3 Razona y responde: a) ¿De qué manera algunas plantas químicas que no se ajustan a estándares de calidad ambiental

pueden ocasionar daños a la hidrósfera, la litósfera, la atmósfera y la biósfera? b) ¿Cuáles pueden ser las consecuencias si no se toman medidas adecuadas de tratamiento

de desechos químicos?

4 Consulta y establece una comparación entre la composición química de la atmósfera terrestre y la de Marte. Luego responde: ¿consideras que podría existir vida en Marte? Explica.

5 Razona y explica la manera en que el ser humano contribuye con el incremento de los niveles de metano (CH4) en la atmósfera. Responde: ¿constituye el metano un gas invernadero? Explica.

6 Completa el cuadro indicando tres industrias específicas de tu localidad y sus productos de comercialización.

7 Señala tres industrias químicas de base y tres industrias químicas de transformación que existan en Venezuela. Indica su localización geográfica.

8 Reflexiona y discute en clase acerca de los efectos perjudiciales que tiene para la biósfera el incremento excesivo de CO2 de origen antrópico.

9 Identifica una industria química de tu localidad y, considerando su ubicación, analiza si cumple con los criterios tomados en cuenta para la instalación de este tipo de industrias.

10 Menciona al menos cinco medidas básicas de seguridad que deberían considerarse para el trabajo en una industria química.

11 En grupo, consulten los principios de la química verde y propongan un proyecto para informar a la comunidad local o escolar sobre sus beneficios para los seres humanos y el ambiente.

Componente de la Tierra Composición química

Litósfera

Hidrósfera

Atmósfera

Biósfera

Industria Producto de comercialización


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Química cotidianaEl esmog y las actividades humanasEn general el cielo de las ciudades altamente industrializadas y con gran cantidad de habitantes se observa de color blanco grisáceo, marrón-amarillento y a veces hasta rojizo. Este fenómeno se debe al esmog (en inglés smog), que es una niebla propia de la contaminación atmosférica, producto de la acumulación de gases tóxicos y partículas pesadas generadas por una excesiva producción industrial de desechos con pocos controles de calidad ambiental, y por las actividades humanas que producen polución del aire. Muchas ciudades, como Caracas y Maracay, que se encuentran ubicadas en valles rodeados de montañas, son más propensas a este tipo de contaminación, puesto que esta ubicación geográfica favorece la retención y concentración de los agentes contaminantes. El esmog puede generar trastornos en la salud tales como irritación en los ojos, nariz, garganta, y problemas respiratorios en general.

Análisis y aplicacióna) Consulta de dónde proviene la palabra smog.b) Investiga qué compuestos químicos genera el esmog

y cuáles sustancias son las responsables de las coloraciones que se pueden apreciar.

La industria química

obtiene

de los

se clasifican en cuyo

depende de

que son

Hidrósfera

Componentes de la Tierra

Industria de base

Personal calificado

Funcionamiento


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Productos de la industria químicaTema 2

acTívaTe

Muchos productos de la vida cotidiana son elaborados a partir de compuestos químicos. ¿Cuáles de ellos usas comúnmente en tu casa? ¿Cuáles crees que son realmente indispensables?

La industria química y sus productosLa industria química constituye uno de los pilares fundamentales de la economía de los países, puesto que muchos de sus productos son necesarios para la obtención de otros productos elaborados.

Los materiales que proporciona la industria química no solo son necesarios en el proceso de manufacturado de muchos productos industriales, sino que también son indispensables para muchas de las actividades cotidianas de las personas, como los que se utilizan para el aseo personal o los que se consumen, como alimentos, medicamentos o cosméticos.

Los productos de la industria químicaAun cuando los productos químicos se podrían clasificar como orgánicos e inorgánicos, también estos pueden ser clasificados de acuerdo con su grado de fabricación.

Clasificación de los productos químicos

Productos básicos Productos intermedios Productos terminados

Sustancias y compuestos químicos que se utilizan como parte de la materia prima para elaborar otros productos, como ácidos, bases, sales o compuesto orgánicos.

Productos que requieren de un tratamiento más elaborado a base de la mezcla de varios compuestos. Incluyen pigmentos, materiales plásticos, fibras sintéticas o colorantes.

Productos destinados al consumo directo por parte de las personas, tales como fármacos, detergentes, cosméticos, papel, pinturas o alimentos.

Trabajo

Industria química del cauchoEl caucho es una sustancia orgánica, natural o sintética, que se caracteriza por su elasticidad, repelencia al agua y resistencia eléctrica. El natural es un líqui-do lechoso, llamado látex y se extrae de varias especies de plantas america-nas; el sintético es fabricado por medio de procedimientos químicos a partir de hidrocarburos alifáticos. Ambos son utilizados por la industria química obtener diversos productos, como neumáticos, imper-meables, aislantes, guantes, preserva-tivos o correas para vehículos.


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Productos comerciales derivados de la industria químicaEl mercado ofrece una gran variedad de productos comerciales de uso diario. Todo consumidor debe conocer su uso apropiado, a fi n de poder aprovechar mejor sus benefi cios y prevenir riesgos para su salud y el ambiente. Por esto es necesario evaluar la información que contienen las etiquetas de los productos comerciales, para estar al tanto de aspectos como: composición química, consejos y precauciones de uso, contraindicaciones, cantidad del producto expresado en unidades de volumen o en masa, sellos de garantía y calidad, así como simbología correspondiente a toxicidad, infl amabilidad, reciclaje o protección de la capa de ozono.

Algunos productos químicos comerciales de uso común

AlimentosProductos extraídos de plantas y animales, o compuestos químicos orgánicos o inorgánicos que tienen como propósito la alimentación. Por ejemplo la mantequilla, margarina, leche pasteurizada, jugos, embutidos o edulcorantes.

Fertilizantes y plaguicidasProductos químicos utilizados principalmente por el sector agrícola para optimizar el crecimiento de plantaciones y controlar o eliminar las plagas que frecuentemente atacan a la siembra o a los seres humanos. Dentro de este grupo se encuentran los abonos inorgánicos, los herbicidas, fungicidas e insecticidas.

CosméticosProductos que se emplean para la higiene corporal y para el embellecimiento personal. Incluye una amplia variedad de productos como cremas hidratantes, exfoliantes, perfumes, lacas, geles, tintes, desodorantes y talcos.

Detergentes y jabonesSustancias químicas que actúan como agentes limpiadores debido a su poder de disolver la suciedad o las impurezas. Entre estos están los detergentes para lavar la ropa, los utensilios de cocina, los baños y diversas superfi cies; y los jabones y champús para el cuerpo y el cabello.

FármacosMedicamentos derivados de investigaciones científi cas, cuya fi nalidad es la de combatir diferentes enfermedades, como los analgésicos, antipiréticos, antigripales, antiespasmódicos o antiinfl amatorios.

Analgésicos y antipiréticosLos medicamentos que alivian o reducen el dolor de cabeza, muscular, artrítico o de cualquier otro tipo, reciben el nombre general de analgésicos; mientras que aquellos fármacos que ayudan a eliminar la fi ebre se denominan antipiréticos. Muchos de los analgésicos tienen también propiedades antipiréticas, como por ejemplo el paracetamol (o acetaminofén), el ibuprofeno o el ácido acetilsalicílico.

viDa coTiDianah

Productos de La industria química 187

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La ciencia y la tecnologíaLa ciencia puede entenderse como un conjunto de conocimientos obtenidos por el ser humano de forma sistemática y organizada a través de procedimientos específicos de investigación. Por otro lado la tecnología representa la serie de conocimientos y técnicas que, aplicados de forma lógica y ordenada, permiten a las personas modificar o transformar su entorno y las actividades que comúnmente realizan.

Aunque a veces se piensa que la ciencia siempre da lugar a la tecnología, la verdad es que esto no constituye una regla, por el contrario, en ciertas ocasiones un desarrollo tecnológico puede dar origen a un campo científico específico. No obstante, es innegable la relación intrínseca entre ciencia y tecnología, las cuales, en conjunto, pueden contribuir con el desarrollo humano, social, industrial y comercial de un país.

En general el desarrollo científico-tecnológico se orienta a satisfacer distintos requerimientos sociales como la productividad, la salud, la alimentación o la educación. Este desarrollo requiere de mentes creativas, curiosas, con facilidad para la innovación, las cuales son comúnmente características de cualquier ser humano. Sin embargo, es fundamental la preparación y la formación adecuada para este propósito.

Propuestas científico-tecnológicasActualmente muchos investigadores trabajan en el desarrollo de innovaciones científicas y tecnológicas que procuran dar respuestas a las diferentes demandas generadas por la sociedad. Dos ejemplos de propuestas científico-tecnológicas son:

Ejemplos de proyectos tecnológicos con base en la investigación científica

Proyecto: obtención de combustible a partir del agua de mar Proyecto: generación casera de energía fotovoltaica

Ante los tiempos invertidos en las recargas de combustible de buques en los puertos, los científicos se encuentran desarrollando un proceso para utilizar dióxido de carbono (CO2) y agua de mar para producir hidrógeno gaseoso (H2) y luego, mediante procedimientos químicos, transformarlo en combustible. Hasta el momento se ha logrado desarrollar con éxito tecnologías que permiten obtener estos compuestos del agua de mar usando células de acidificación electroquímica, convirtiendo dióxido de carbono e hidrógeno molecular en hidrocarburos con los que se produce combustible. Entre otros beneficios, esta innovación podría permitir el reabastecimiento de las embarcaciones en alta mar en menor tiempo.

El proyecto de energía fotovoltaica consiste en colocar, en los techos de las casas y edificios, celdas fotovoltaicas (elaboradas con vidrio de ventana y gases simples) las cuales, al ser expuestas a la luz solar, generan electricidad. Se trata de una solución energética no contaminante ya que los procesos de fabricación no utilizan materiales nocivos. Venezuela, por ser un país tropical, cuenta con altas radiaciones solares durante casi todo el año, por lo que un proyecto tecnológico que busque el aprovechamiento de la radiación solar promete ser altamente exitoso.


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Los proyectos tecnológicosUn proyecto tecnológico es una idea que se planifica, estructura, organiza y desarrolla con el fin de elaborar un producto de consumo. También se concibe como un procedimiento con el cual se pretende solucionar o dar respuesta a problemas y necesidades sociales en materia de salud, alimentación, vestido, ambiente, educación o recreación. Los gobiernos de los países deben promover el desarrollo de proyectos tecnológicos con el fin de atender las demandas sociales propias de su región, así como las necesidades a nivel global. Para cumplir con esto son necesarios estudios diagnósticos, aplicación de conocimientos, disposición de recursos, entrenamiento de personal y trabajo en equipo.

Formulación y diseño de un proyecto tecnológicoEn general no existen procedimientos rígidos o únicos para la elaboración de proyectos tecnológicos, sin embargo se puede sugerir el siguiente esquema de trabajo útil para este fin:

• Planteamiento del problema o requerimiento. Determinar el problema que se pretende solucionar o la necesidad a la que se quiere dar respuesta, con lo que se define entonces el área de interés del proyecto (alimento, salud, ambiente o educación, entre otros).

• Documentación. Búsqueda de información documental respecto al problema seleccionado y a sus implicaciones. Es posible encontrar otros proyectos con un interés similar al que se pretende desarrollar.

• Diseño del plan. Planificación de proyecto. Este requiere del ingenio de las personas que elaboran el proyecto, ya que se trata del procedimiento que conduce a la creación del producto tecnológico. Debe contener los objetivos del proyecto, el procedimiento, los recursos humanos, físicos y financieros, el cronograma de actividades, así como las funciones de los integrantes de los equipos de trabajo.

• Impacto ambiental. Evaluación de los riesgos o daños al ambiente durante la ejecución del plan o como consecuencia de la utilización del producto tecnológico. Esta evaluación es fundamental para la obtención de la permisología de ejecución y, por lo tanto, en la determinación de la factibilidad de ejecución del proyecto.

• Ejecución del proyecto. Desarrollo del procedimiento para la elaboración del producto tecnológico deseado. Es importante, durante esta etapa, llevar registros detallados que permitan sustentar los resultados y cumplir la normativa legal y ambiental del país.

• Evaluación de resultados. Etapa de análisis de los resultados obtenidos para establecer conclusiones, evaluar el éxito del proyecto y proponer estrategias para el desarrollo de nuevos proyectos.

• Divulgación. Representa la fase de socialización del proyecto y sus resultados. Su principal objetivo es difundir a la comunidad la importancia del proyecto y su aporte social. Para esto pueden organizarse presentaciones audiovisuales, afiches, periódicos, foros, programas de radio y televisión, entre otros.

El IVICEl instituto venezolano de investigaciones científicas (IVIC) es uno de los princi-pales centros impulsores del desarrollo científico y tecnológico del país. Allí se forma personal científi-co calificado de alto nivel y se generan investiga-ciones e innovaciones tecnológicas en áreas de interés nacional e inter-nacional. Para conocer las áreas científicas y los proyectos de desarrollo que lleva a cabo esta ins-titución, visita el enlace: http://www.ivic.gob.ve/

en un clic


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1 Elabora una lista de 10 productos derivados de la industria química y señala su uso o aplicación.

2 Consulta la fórmula química y las propiedades físicas del caucho natural y el caucho sintético.

3 Razona y explica cuál es la importancia de la industria química del plástico. Especifica qué tipo de sustancia química es el plástico y señala sus principales propiedades.

4 Consulta y explica: a) Algunos tipos de fibras naturales y sintéticas. Especifica sus principales usos. b) ¿Cuál es la importancia de la industria textil? c) ¿Cuáles son los procesos implicados en la elaboración de fibras textiles?

5 Consulta la etiqueta de los siguientes productos comerciales y completa la información que se pide.

6 Consulta y comenta con tus compañeros y compañeras sobre algunos de los proyectos tecnológicos que se encuentran en desarrollo en Venezuela y hagan un debate en clase.

7 Formen equipos para hacer lo siguiente: a) Formulen y ejecuten un proyecto tecnológico sencillo relacionado con la química. b) Determinen el impacto ambiental que pudiera tener el desarrollo del proyecto

si fuera llevado a cabo a nivel industrial. c) Expongan sus resultados a la comunidad estudiantil en la feria científica del plantel

o en una cartelera.

ProductoNombre

comercial del producto

Tipo de producto

Composición química

Contenido (en unidades de masa

o volumen)

Forma de uso y precauciones

Fecha de vencimiento

Champú

Desodorante

Insecticida

Espuma de afeitar

Mantequilla

Limpiador de hornos

Dentífrico

Crema hidratante

Bloqueador solar

Analgésico

Destapador de cañerías


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Química cotidiana


¿Cómo limpia el jabón de tocador?La suciedad que impregna generalmente las manos es fundamentalmente una mezcla de grasas, las cuales no pueden ser disueltas o eliminadas solo con el agua; por ello, es necesario el uso de jabones para desprender el sucio y los gérmenes. El jabón está formado por un tipo de moléculas químicas que tienen un extremo corto, afín al agua (hidrofílico), y otro extremo largo que la repele (hidrofóbica), afín a las grasas. Cuando nos lavamos las manos con agua y jabón las largas cadenas hidrofóbicas se unen a las partículas de grasa mientras que los extremos hidrofílicos se proyectan hacia el agua. Se origina entonces una emulsión (grasa en agua), lo cual significa que las partículas de grasa quedan atrapadas por las moléculas del jabón y pueden ser ahora eliminadas. De manera que la espuma que termina escurriéndose de nuestras manos es una combinación de las grasas retenidas por el jabón y el agua.

Análisis y conclusionesa) Consulta cuál es la composición química de un jabón.b) Explica la diferencia, desde el punto de vista químico,

entre un jabón y un detergente.

La industria química

genera

Proyectos científico-tecnológicos

Alimentos

resultado de

tales como

Partículade grasa

Agua

Moléculas de jabón

Agua

Agua

Agua

Intermediosclasificados como


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La industria petrolera y petroquímica en Venezuela Tema 3

acTívaTe

Muchos productos de uso cotidiano son derivados de la industria petrolera y petroquímica. ¿Cuáles conoces y para qué sirven? ¿Por qué es importante el petróleo para el país?

El petróleoEl petróleo es una mezcla de hidrocarburos que tiene una consistencia líquida, semilíquida o sólida, y que puede contener pequeñas cantidades de impurezas constituidas por compuestos de azufre y nitrógeno, y algunos metales como hierro, níquel, cromo, vanadio y cobalto. Es un recurso natural que se extrae de la tierra en una forma llamada crudo; y que se emplea como combustible y para la obtención de otras sustancias químicas. La unidad que comúnmente se usa para expresar la cantidad de petróleo extraído es el barril, el cual equivale a 159 litros aproximadamente.

Origen del petróleoLa teoría más aceptada señala que el origen del petróleo es orgánico, es decir que el barro orgánico del fondo de lagos y mares, formado por la descomposición química de animales y vegetales, fue cubriéndose de sedimentos y, durante el curso de las diferentes eras geológicas, se sometió a altas presiones y temperaturas hasta transformarse en petróleo.

Tipos de petróleoLa presencia de diversas sustancias químicas en el petróleo determina sus características particulares, como el color, densidad o viscosidad; lo cual permite clasificarlo de diferentes maneras. Desde el punto de vista químico se puede clasificar en parafínicos (muy fluidos y de color claro, constituidos principalmente por parafinas), nafténicos (muy viscosos y de coloración oscura, constituidos por naftenos e hidrocarburos aromáticos) y mixtos (que contienen compuestos parafínicos y nafténicos). Por su densidad, el petróleo se puede clasificar, atendiendo a su gravedad (expresada en grados API), en: extrapesado, pesado, mediano, ligero y superligero:

El petróleo como fuente de energía

En la actualidad, a pesar de los esfuerzos por proponer formas energéticas más eco-lógicas, la mayoría de los países consume una gran proporción de energía proveniente de recursos no renovables, cuya fuente principal es el petróleo; de allí la importancia actual de este recurso para el desarrollo y economía de las sociedades.

Salud y ambienTe

Los grados API (de sus siglas en inglés American Petroleum Institute) describen qué tan liviano o pesado es el petróleo en comparación con el agua. Si una muestra de crudo presenta grados API mayores de 10, entonces el petróleo es más liviano que el agua.

Aceite Crudo

Densidad(g/cm3)

Densidadgrados API

Extrapesado > 1,0 10,0

Pesado 1,0 - 0,92 10,0 - 23,3

Mediano 0,92 - 0,87 23,3 - 31,1

Ligero 0,87 - 0,83 31,1 - 39

Superligero < 0,83 > 39

Porcentaje de uso de recursos renovables y no renovables para la obtención de la energía

Renovables 30% Petróleo 49% Gas 13%Carbón 5%Nuclear 3%


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El petróleo en las rocasEl petróleo y el gas natural, llamados en conjunto combustibles fósiles, se encuentran confi nados a gran profundidad en una roca porosa llamada almacén o roca madre (las del tipo arenisca y calizas son las más comunes). La acumulación ocurre gracias a la retención por otro tipo de rocas que son impermeables, llamadas rocas de cobertura o sello, las cuales impiden la fuga de estos compuestos químicos a la superfi cie terrestre. Es por esto que para la extracción del petróleo y del gas natural se deban realizar perforaciones de hasta 7 000 metros.

Gas naturalEs una de las principales fuentes de energía no reno-vables formada por una mez-cla de gases ligeros que se encuentra en los yacimientos de petróleo. Su composición fundamental es metano (CH4).

Salud y ambienTe

Océano Atlántico

N

YacimientosLos lugares específicos donde se acumula el petróleo se denominan yacimientos. Allí generalmente se encuentran capas separadas de gas natural, petróleo y agua salada. Esta separación de capas se debe a la diferencia de densidades de estos compuestos. Los yacimientos pueden ser primarios, cuando el petróleo se encuentra en la misma roca donde se ha formado, o secundarios, cuando el crudo ha fluido y se encuentra acumulado en un sitio lejano al que se formó originalmente.

Trampas petrolíferasEs una estructura geológica que se forma en el subsuelo gracias a la cual se acumula el petróleo en un determinado lugar. Estas trampas se componen de los dos tipos de rocas: las permeables, en donde circula y acumula el petróleo, y las impermeables, que mantienen atrapado al crudo sin posibilidad natural de salir al exterior. La formación de estas trampas da origen a los yacimientos.

Cuencas sedimentarias o petrolíferasConstituyen las diferentes regiones del planeta en donde ha sido geológicamente favorable la formación y acumulación de petróleo y gas natural, y en los que se han formado los yacimientos petrolíferos. En Venezuela, por ejemplo, los yacimientos se encuentran agrupados en cinco cuencas.

Roca impermeable

Torres de extracción

Refinería

Transporte

Zona ampliada

Gas natural

Agua

Roca impermeable

Petróleo

CaracasCuenca de Falcón

CuencaTuy-Cariaco

Cuenca Oriental

Faja petrolífera del Orinoco

Mar Caribe

Río Orinoco

Cuencade Maracaibo

Cuenca Barinas-Apure

La industria petroLera y petroquímica en VenezueLa 193

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La explotación petroleraLa industria petrolera incluye una serie de fases que permiten la conversión del crudo inicial en los productos comercializables. Estas son:

La explotación petroleraLa industria petrolera incluye una serie de fases que permiten la conversión del crudo inicial en los productos comercializables. Estas son:

1. ExploraciónSe refiera a la búsqueda de yacimientos petrolíferos del subsuelo, utilizando diferentes técnicas geológicas.

3. RefinaciónConsiste en una serie de procesos fisicoquími-cos que permiten limpiar el petróleo crudo de elementos no deseados y obtener los diferentes productos derivados. El procedimien-to más importante es la destilación fraccionada del petróleo, a través de la cual se separan productos de valor comercial como gases, nafta, gasolina, queroseno o lubricantes.

2. Perforación-producciónFase en la que se extrae el petróleo crudo. Implica la perforación de pozos (en tierra o mar) y todos los procesos que tienen que ver con su almacenamiento previo para luego ser transportado a las refinerías.

5. MercadeoColocación o comercialización del petróleo en los mercados nacionales e internacionales, para la cual Venezuela depende de la fijación de precios que establece la OPEP.

4. Almacenamiento y transporteLa industria petrolera dispone de tanques de almacenamiento cilíndricos, especiales para el resguardo de grandes cantidades de petróleo y gas. Por otra parte, el transporte del crudo de un lugar a otro puede realizarse a través de tuberías (oleoductos) o barcos petroleros (tanqueros), mientras que el gas se transporta por medio de gasoductos.

Explotación petrolera e impacto ambientalLa explotación petrolera es una actividad susceptible de producir serios impactos ambientales. La combustión de sus derivados incrementa los niveles de CO2 en la atmósfera (favoreciendo el cambio climático), así como los de otras sustancias contaminantes. Por otra parte, los derrames accidentales de petróleo, perjudican la flora y la fauna de los ecosistemas afectados, ocasionando graves desequilibrios en estos. Por ello, la industria petrolera debe cumplir normas estrictas en materia de protección ambiental.

ProducciónLa zona de Venezuela donde se produce más petróleo es en el oriente del país; no obstante, el crudo más liviano se encuentra en el occidente, particularmente en el estado Zulia.

PDVSAPetróleos de Venezuela, S. A., es la empresa estatal que se encarga del desarrollo de la industria petrolera, petroquímica y carbonífera en el país.

INTEVEPEl instituto de tecnología venezolana para el petróleo (INTEVEP) ubicado en Los Teques, (estado Miranda), es un centro de investigación científica en el que se desarrollan permanentemente investigaciones para brindar apoyo tecnológico a la industria petrolera nacional.

OPEPLa organización de países exportadores de petróleo (OPEP u OPEC en inglés), con sede en Viena, es una institución internacional integrada por diferentes países productores de petróleo, que tiene entre sus principales objetivos garantizar precios justos y estables para los países miembros, así como regular diferentes aspectos relacionados con la comercialización internacional. Los cinco países fundadores de la OPEP fueron Arabia Saudita, Irak, Irán, Kuwait y Venezuela.


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La industria petrolera en VenezuelaVenezuela cuenta con inmensas reservas de crudo pesado y liviano, por ello, la economía del país gira principalmente en torno a la industria petrolera venezolana. En general, la industria petrolera desarrolla procesos que van desde la exploración y extracción del crudo hasta los tratamientos posteriores que lo transforman en combustibles específi cos o en materia prima para una gran variedad de productos químicos.

1. ExploraciónSe refiera a la búsqueda de yacimientos petrolíferos del subsuelo, utilizando diferentes técnicas geológicas.

3. RefinaciónConsiste en una serie de procesos fisicoquími-cos que permiten limpiar el petróleo crudo de elementos no deseados y obtener los diferentes productos derivados. El procedimien-to más importante es la destilación fraccionada del petróleo, a través de la cual se separan productos de valor comercial como gases, nafta, gasolina, queroseno o lubricantes.

2. Perforación-producciónFase en la que se extrae el petróleo crudo. Implica la perforación de pozos (en tierra o mar) y todos los procesos que tienen que ver con su almacenamiento previo para luego ser transportado a las refinerías.

5. MercadeoColocación o comercialización del petróleo en los mercados nacionales e internacionales, para la cual Venezuela depende de la fijación de precios que establece la OPEP.

4. Almacenamiento y transporteLa industria petrolera dispone de tanques de almacenamiento cilíndricos, especiales para el resguardo de grandes cantidades de petróleo y gas. Por otra parte, el transporte del crudo de un lugar a otro puede realizarse a través de tuberías (oleoductos) o barcos petroleros (tanqueros), mientras que el gas se transporta por medio de gasoductos.

Explotación petrolera e impacto ambientalLa explotación petrolera es una actividad susceptible de producir serios impactos ambientales. La combustión de sus derivados incrementa los niveles de CO2 en la atmósfera (favoreciendo el cambio climático), así como los de otras sustancias contaminantes. Por otra parte, los derrames accidentales de petróleo, perjudican la flora y la fauna de los ecosistemas afectados, ocasionando graves desequilibrios en estos. Por ello, la industria petrolera debe cumplir normas estrictas en materia de protección ambiental.

tratamientos posteriores que lo transforman en combustibles específi cos o en materia prima para una gran variedad de productos químicos.

ProducciónLa zona de Venezuela donde se produce más petróleo es en el oriente del país; no obstante, el crudo más liviano se encuentra en el occidente, particularmente en el estado Zulia.

PDVSAPetróleos de Venezuela, S. A., es la empresa estatal que se encarga del desarrollo de la industria petrolera, petroquímica y carbonífera en el país.

INTEVEPEl instituto de tecnología venezolana para el petróleo (INTEVEP) ubicado en Los Teques, (estado Miranda), es un centro de investigación científica en el que se desarrollan permanentemente investigaciones para brindar apoyo tecnológico a la industria petrolera nacional.

OPEPLa organización de países exportadores de petróleo (OPEP u OPEC en inglés), con sede en Viena, es una institución internacional integrada por diferentes países productores de petróleo, que tiene entre sus principales objetivos garantizar precios justos y estables para los países miembros, así como regular diferentes aspectos relacionados con la comercialización internacional. Los cinco países fundadores de la OPEP fueron Arabia Saudita, Irak, Irán, Kuwait y Venezuela.


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La industria petroquímicaLa industria petroquímica se encarga de la utilización de las fracciones de hidrocarburos derivados del petróleo y el gas natural, para transformarlos luego en una amplia variedad de productos.

La mayor parte de los productos petroquímicos se fabrican a partir de un pequeño número de hidrocarburos derivados del petróleo y del gas natural, como el metano, el etano y las naftas. Estos productos básicos son transformados en otros secundarios que, a su vez, sufren otros procesos (manufactura) para convertirse en los productos de consumo final elaborados por las diferentes industrias a nivel nacional.

N

Refinería de Amuay Es la que tiene mayor producción, con un promedio aproximado de 656 000 barriles diarios

Complejo petroquímico El Tablazo

Genera olefinas, resinas plásticas, vinilos y fertilizantes nitrogenados. A partir de la

producción de etileno y propileno, se promueve la fabricación de una amplia

variedad de plásticos en el país.

Refinería El Palito Tiene una producción diaria de 140 000 barriles diarios.

Complejo petroquímico José Antonio Anzoátegui

Aquí se procesan líquidos de gas natural con técnicas criogénicas para obtener

propano, isobutano, pentano, n-butano (gas de bombona) y gasolina para el mercado

interno y exterior.

Complejo petroquímico de Morón Produce amoníaco, urea, sulfato de amonio, ácido nítrico y trifosfato de sodio, además de varias toneladas de fertilizantes nitrogenados y fosfatados.

1

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1

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Refinerías Puerto la Cruz, El Chaure y San Roque

Constituyen el Complejo Refinador de Oriente, que tiene una producción

aproximada de 200 000 barriles diarios.

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3

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Petroquímico básico

Petroquímico secundario Transformación o manufacturas Principales industrias

de consumo final

Gas natural (metano)

Amoníaco Acrilonitrilo

Fertilizantes NitrogenadosFibras sintéticas Resinas sintéticasPartes automotrices TeléfonosNeumáticos AlfombrasExplosivos PlastificantesAdhesivos Colorantes

Agricultura TextilPlástico AutomotrizMetalúrgica FotográficaPapel

MetanolFormaldehído

Metilaminas

Resinas sintéticas DesinfectantesFumigantes Drogas sintéticasSolventesTintas y humectantesCombustibles (gasolinas)

Plástico AutomotrizConstrucción FarmacéuticaFotográfica Textil

Petroquímico básico Petroquímico secundario Transformación

o manufacturasPrincipales industrias

de consumo final

Etano Etileno

Polietilenos Películas BolsasEmpaques EnvasesTanques JuguetesTuberías ManguerasCables BotesPlatos y vasos BotellasTelas LáminasCremas

Construcción AgrícolaAutomotrizEnvasesEléctricaElectrónicaElectrodomésticaAlimentosTextilDetergentesCosméticos

Cloruro de vinilo

Cloruro de polivinilo(CVP)

Estireno Poliestireno

Óxido de etileno

Glicoles etilénicos

Petroquímico básico Petroquímico secundario Transformación o

manufacturasPrincipales industrias

de consumo final

Naftas Aromático

Xilenos Acido tereftálico

Telas SolventesBotellas GarrafonesPelículas PinturasArt. decoración AlfombrasAislantes Art. eléctricosArt. deportivos MueblesPrendas de vestir

TextilAlimentos ConstrucciónEléctricaElectrónicaAutomotrizFarmacéuticaAgriculturaEnvases y ensamblajeDetergenteCosméticos

Benceno Estireno

Tolueno Toluedisocianato


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Las refi nerías y las petroquímicas de VenezuelaEn el país existen 7 refi nerías que se encargan del procesamiento del petróleo para la obtención de la materia prima que utilizará posteriormente la industria petroquímica: las refi nerías de Amuay y el Cardón (estado Falcón), la refi nería Bajo Grande (estado Zulia), las refi nerías Puerto la Cruz, El Chaure y San Roque (estado Anzoátegui) y la refi nería El Palito (estado Carabobo).

Así mismo, el país cuenta con 3 complejos petroquímicos, uno ubicado en Morón (estado Carabobo), El tablazo (estado Zulia) y el José Antonio Anzoátegui (estado Anzoátegui).

N

Refinería de Amuay Es la que tiene mayor producción, con un promedio aproximado de 656 000 barriles diarios

Complejo petroquímico El Tablazo

Genera olefinas, resinas plásticas, vinilos y fertilizantes nitrogenados. A partir de la

producción de etileno y propileno, se promueve la fabricación de una amplia

variedad de plásticos en el país.

Refinería El Palito Tiene una producción diaria de 140 000 barriles diarios.

Complejo petroquímico José Antonio Anzoátegui

Aquí se procesan líquidos de gas natural con técnicas criogénicas para obtener

propano, isobutano, pentano, n-butano (gas de bombona) y gasolina para el mercado

interno y exterior.

Complejo petroquímico de Morón Produce amoníaco, urea, sulfato de amonio, ácido nítrico y trifosfato de sodio, además de varias toneladas de fertilizantes nitrogenados y fosfatados.

1

4 5 6

1

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N

Refinerías Puerto la Cruz, El Chaure y San Roque

Constituyen el Complejo Refinador de Oriente, que tiene una producción

aproximada de 200 000 barriles diarios.

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1 Explica qué significa la gravedad API.

2 Clasifica los siguientes crudos atendiendo a sus grados API.

3 Señala los principales componentes químicos del petróleo.

4 Completa el siguiente cuadro colocando la información apropiada.

Crudo Grados API Tipos de crudo

Crudo 1 30

Crudo 2 35

Crudo 3 21

Crudo 4 8

Compuesto Fase o estado Punto de ebullición Fórmula química

Metano

Etano

Propano

Butano

Complejo petroquímico en Venezuela Productos generados Usos principales

de los productosImportancia de los

productos en la industria

5 Consulta cuáles son los principales 10 países productores de petróleo y los 10 que más consumen este recurso. Elabora un cuadro que los relacione.

6 Consulta en qué consiste la teoría abiótica que explica el origen del petróleo.

7 Razona y explica cuáles son las desventajas de que la economía de un país dependa exclusivamente de la producción de petróleo.

8 Razona y explica las implicaciones para Venezuela de que su economía se sustente prácticamente de los productos de la extracción petrolera.

9 Razona y explica cómo puede la industria petrolera y petroquímica contaminar al ambiente.

10 Señala algunos ejemplos de derrames petroleros que hayan ocurrido en los últimos años. Explica las consecuencias ambientales de estos accidentes.

11 Investiga y explica en qué consiste el método sísmico utilizado comúnmente para la exploración petrolera.

12 Completa el siguiente cuadro:


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Química cotidianaEl octanaje de la gasolinaLa gasolina es una mezcla de hidrocarburos que se obtiene de la destilación del petróleo, y su principal importancia es hacer que funcionen los vehículos con motor de explosión o combustión interna. El octanaje o índice de octanos que comúnmente se ofrece en las estaciones de gasolina para llenar el tanque de los vehículos (91 y 95 octanos en Venezuela), se refiere a la cualidad antidetonante que se incorpora a la gasolina para un mejor funcionamiento de los motores. El índice de octano se obtiene por la comparación del poder antidetonante de la gasolina con una mezcla patrón compuesta de isooctano (antidetonante) y heptano (muy detonante). De manera que la gasolina de 95 octanos se corresponde con una capacidad antidetonante similar a la de una mezcla de 95 % de isooctano y 5% de heptano.

Análisis y aplicacióna) Consulta cuál es la fórmula química y la estructura

del isooctano y del heptano.b) Responde: ¿qué otros aditivos químicos se agregan

a la gasolina y cuál es su función?

El petróleo

es procesado por

produce

de la

luego

y por último

La materia prima

Productos primarios

2. Perforacióna través de para obtener

para obtener

como


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Actividades de refuerzo Para realizar en el cuaderno

Comprensión1 Selecciona cuáles afirmaciones son correctas

y cuáles incorrectas. Justifica tu respuesta en cada caso:

a) La humedad atmosférica forma parte de la hidrósfera.

b) Los productos de la industria química de clasifican en básicos, intermedios y terminados.

c) El petróleo con una densidad API de 38 grados es considerado como un crudo pesado.

d) Los componentes del petróleo son en su mayoría hidrocarburos.

e) La industria petroquímica usa como materia prima fundamentalmente metano, etano y naftas.

2 Lee los enunciados y complétalos con la frase correcta que le dé sentido a cada oración:

a) La litósfera constituye la capa externa… •…líquida que envuelve al planeta Tierra. •…gaseosa que rodea a la Tierra. •…sólida de la Tierra. •…química de los mares.

b) La refinación del petróleo consiste en… •… la perforación de pozos en la tierra

o en el mar. •…la búsqueda de yacimientos. •… el tratamiento fisicoquímico

para la obtención de derivados. •… la comercialización en mercados

nacionales e internacionales.

c) Los productos de la industria química tienen una aplicación…

•…restringida al sector automotor. •… de importancia exclusiva para el sector

agrícola. •… amplia en la vida cotidiana de los seres

humanos. •…amplia en la industria del caucho.

Análisis y aplicación3 Responde las preguntas:

a) ¿Cuáles son los elementos químicos que componen la Tierra? Escribe sus símbolos químicos.

b) ¿Cuáles son los productos químicos terminados de la industria química? Señala ejemplos.

c) ¿Cuál es la diferencia química entre un jabón y un detergente?

d) El petróleo es considerado un combustible fósil. ¿Por qué? Señala otros combustibles fósiles.

e) ¿Cuáles son las refinerías que existen en Venezuela? ¿Dónde están ubicadas? ¿Cuál de ellas genera mayor producción?

f) ¿Por qué el complejo petroquímico El Tablazo es de gran importancia para Venezuela? ¿Qué productos se fabrican allí?

g) ¿Por qué la faja petrolífera del Orinoco es tan importante para Venezuela?

h) ¿Qué es una trampa petrolífera?4 Analiza la tabla y responde:

a) ¿En qué unidades viene expresada la producción petrolera de los países?

b) ¿Cómo fue la producción petrolera de Venezuela con relación a los demás países de la OPEP durante los ultimos 5 años, y particularmente en el año 2011?

2008 2010 20112009

477

3 72

52

263

2 25

62

394

8 05

1

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3 70

62

297

2 30

42

338

8 27

1

490

3 62

12

537

2 51

72

380

9 27

1

503

3 89

22

554

2 55

72

557

9 11

3

Producción de petróleo de algunos países de la OPEP(1 000 b/d)

Fuente: OPEP, boletín estadístico anual 2011

Ecuador Irán Kuwait Arabia Saudita Emiratos Árabes Venezuela


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5 Completa la información que se solicita en cada cuadro:

Opinión y síntesis7 Consulta y responde:

a) ¿Qué consecuencias negativas tiene el uso indiscriminado de fertilizantes?

b) ¿Por qué fue prohibido el uso del insecticida denominado DDT?

c) ¿Cuál es la composición química de la litósfera, hidrósfera y atmósfera?

d) ¿Cuáles son algunos de los principales proyectos tecnológicos que se encuentran en desarrollo en nuestro país? ¿Qué otros se están desarrollando en el mundo?

e) ¿Por qué es importante el reciclaje de materiales?

f) ¿Cómo se formó el petróleo en las rocas? g) ¿Cómo la industria petroquímica

transforma su materia prima (metano, etano, naftas) en la amplia variedad de productos que son distribuidos por las industrias de consumo final?

8 Propón soluciones a los siguientes planteamientos:

a) ¿Cómo se puede disminuir la contaminación atmosférica?

b) ¿Qué aspectos se deben considerar para garantizar la seguridad personal en las industrias químicas?

c) ¿Qué recomendaciones se pueden sugerir para lograr una mayor conciencia y responsabilidad de los ciudadanos que hacen uso de los productos químicos que se comercializan?

d) ¿Qué pasos deben seguirse para planificar y ejecutar un proyecto tecnológico sencillo?

e) ¿De qué manera Venezuela podría convertirse en un país cuya economía no dependa solo del petróleo?

f) ¿Cómo se podrían disminuir los accidentes petroleros que amenazan con afectar al ambiente?

6 Reflexiona y responde: a) ¿Qué importancia tiene para la sociedad

la industria química? b) ¿Qué consecuencias negativas se podrían

generar si se sigue incrementando los niveles de CO

2 y CH

4 en la atmósfera? ¿Cómo

se podrían detener las emisiones de estos gases a la atmósfera?

c) ¿Por qué se dice que la ciencia y la tecnología resultan inseparables en la actualidad?

d) ¿Por qué resulta importante el desarrollo de una química verde en la actualidad?

e) ¿Qué pasaría si en Venezuela se agotara el petróleo?

f) ¿Qué importancia tiene para Venezuela la industria petroquímica?

g) ¿Por qué la industria química en general tiene un gran impacto ambiental?

Derivados del petróleo Usos

Gas natural

Querosén

Asfalto

Gasolina

Polietileno

Diesel

Lubricantes

ProductoComposición

química

Cantidades en unidades de masa o volumen

Pictogramas

en el recipiente

Fertilizante

Talco

Acondicionador

Desinfectante

Gel para cabello

Antigripal

Aceite vegetal

La industria química 201

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Profesiones y oficios científicos

Conexos con... Tecnología e inventiva

Ingeniería de Petróleo y Procesos de Refi nación de PetróleoLa Ingeniería de Petróleo atiende trabajos de extracción, almacenamiento y transporte de petróleo y gas natural. Efectúa estudios geológicos, como la identifi cación de fallas, e interviene directamente en los procesos secundarios para la transformación de los hidrocarburos en materias primas para la industria.

La carrera de Técnico Superior en Petróleo, Tecnología Petrolera o Procesos de Refi nación de Petróleo, realiza operaciones e instalaciones de equipos para la explotación, análisis geológicos, perforaciones, refi nación, producción, transporte y almacenamiento de petróleo y sus derivados. Supervisa trabajos, operaciones y actividades relacionadas con los distintos procesos de extracción y transformación del petróleo.

• Discute con tus compañeros y compañeras la importancia de estas profesiones para el desarrollo tecnológico del país.

El trabajo del vidrio

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En la producción de una gran variedad de vidrios se emplea una mezcla de materias primas como arena, álcali y óxidos metálicos.Los ingredientes se funden en un horno a 1 500 ºC para obtener vidrio líquido. El fuego aplicado directamente sobre el material fundido lo mantiene caliente y fluido.

• Consulta sobre la diversidad de productos elaborados con vidrio y sus ventajas frente a otros materiales.

La masa líquida de vidrio caliente se vierte dentro del molde con la forma

del recipiente.

El aire empuja el material hacia abajo para formar

el cuello.

Se coloca una tapa en la parte superior

y un chorro de aire empuja la masa de cristal hacia los lados.

Fabricación de un recipiente de vidrio

Técnicas de producción de vidrio a nivel industrial

Colado. Aplanado del vidrio fundido con un rodillo.Soplado. Fabricación de objetos de vidrio mediante la creación de burbujas en el vidrio fundido. Prensado. Moldeado del vidrio utilizando prensas.Estirado. Técnica mediante la cual el vidrio fundido pierde uniformidad de espesor y se deforma bajo su propio peso.Laminado. Unión de láminas de vidrios mediante una película de butiral de polivinilo (PVP) para fabricar láminas de vidrios de seguridad.

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202 LA INDUSTRIA QUÍMICA

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Creación de una campaña de promoción para el uso del gas natural

1 Documentación• Formen equipos de al menos 4 personas y realicen un diagnóstico

sobre el consumo energético en su comunidad, tipos de combustibles utilizados y su costo asociado de consumo.

• Recopilen información sobre el proceso industrial asociado con la producción del gas natural, reservas gasíferas en Venezuela, características de los compuestos obtenidos y su uso. Comparen este tipo de producción energética con otras, y su impacto ambiental.

2 Planifi cación• Decidan a qué sector de la población irá destinada la información

sobre el uso del gas natural (comunidad escolar, viviendas, conductores de vehículos públicos y privados, municipio, entre otros).

• Creen un eslogan y diseñen una estrategia que de a conocer las características y los benefi cios del gas natural como producto energético ambientalmente deseable y más económico.

• Tomen en cuenta el tiempo de promoción, los recursos materiales y las plataformas digitales, en caso de implementarla en redes sociales, y la manera de evaluar qué tan efectiva será la campaña.

• Determinen el presupuesto de costos. De ser necesario soliciten el patrocinio de instituciones o personas individuales.

3 Organización de materiales• Obtengan los materiales necesarios para hacer la campaña,

según el presupuesto de costos.• Adquieran los permisos necesarios para llevar a cabo la campaña,

tanto en físico como en medios digitales.

4 Puesta en acción Pongan en práctica la campaña. Asegúrense de que el material preparado

llega a buena parte de la población a la que va destinada. Registren con fotografías o videos las diversas etapas de la campaña.

5 Evaluación• Analicen los resultados de la campaña y pronostiquen sus efectos

a mediano plazo sobre la toma de conciencia para un consumo energético ambientalmente deseable.

• Discutan las condiciones particulares que afectaron positiva o negativamente la campaña y establezcan conclusiones.

Propósito: promocionar el uso del gas natural en la comunidad, como un recurso energético económico y poco contaminante mediante una campaña de concientización.

Idea para la acción

LA INDUSTRIA QUÍMICA 203

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QuímicaQuímica

Desde su propio nombre, Conexos -el conjunto de bienes educativos que hemos elaborado para afrontar los nuevos retos de la Educación Media- está comprometido con un mundo de interrelaciones, en el que los saberes no son estáticos ni están encerrados en espacios restringidos, sino que andan en constante movimiento, dispersos en infi nitas redes. Estos materiales didácticos apuntan a potenciar los vínculos, activar los contactos, descubrir los enlaces.

El aprendizaje signifi cativo, que cultivamos como una de las premisas conceptuales de todos nuestros materiales didácticos, tiene una importancia creciente en esta serie, pues atiende las necesidades de estudiantes que ya han avanzado a otra fase de su educación formal. La necesidad de que las competencias adquiridas sean útiles para la vida es en Conexos una estrategia vital.

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Química 3er año - Conexos

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