Categoría: Nivel 2.2. MATERIA Y ENERGÍA II

Capítulo 1. TRABAJO Y POTENCIA

Desde el punto de vista físico, esfuerzo y trabajo son conceptos diferentes. Nosotros podemos hacer un gran esfuerzo al empujar un enorme armario sin conseguir desplazarlo, y sin embargo, no realizamos trabajo. Por el contrario, en otras ocasiones con un menor esfuerzo logramos desplazar el cuerpo sobre el que aplicamos la fuerza, por ejemplo al mover el cuaderno sobre la mesa. En este caso sí que estamos realizando un trabajo desde el punto de vista físico.

Por lo tanto, para que exista un trabajo es necesario realizar una fuerza sobre un cuerpo y que ésta se desplace con él. En física el trabajo es directamente proporcional a la fuerza que actúa sobre un cuerpo y al desplazamiento que dicha fuerza se produce. Y si no se produce desplazamiento no existe trabajo.

La expresión matemática del trabajo es diferente, según la dirección de la fuerza y la del desplazamiento sean iguales (figura a) o distintas (figura b). Este último caso requiere unos conocimientos matemáticos que exceden a los objetivos del curso por lo que no se estudiarán.

Cuando la fuerza (F) que se aplica al cuerpo tiene la misma dirección que el desplazamiento (e) del mismo, la expresión matemática del trabajo es:

Hemos definido una nueva magnitud física que hemos llamado trabajo y para medirla necesitaremos una unidad distinta de las que conocemos hasta ahora. Como el trabajo es el producto de la fuerza que se hace por el espacio recorrido, la unidad de trabajo será igual al producto de la unidad de desplazamiento:

Unidad de trabajo = Unidad de fuerza · Unidad de longitud

En el sistema internacional, la unidad de trabajo se llama julio (J) y puede definirse como el trabajo que desarrolla una fuerza de un newton al desplazarse un metro:

1 J = 1 N · 1 m

A veces, nos encontramos en situaciones en las que las mismas fuerzas realizan los mismos desplazamientos, pero en tiempos diferentes, por ejemplo, cuando subimos en un ascensor, el motor realiza un trabajo para desplazarnos al piso superior. Si va más rápido o más lento, el trabajo será el mismo aunque el tiempo empleado en realizar el recorrido será distinto.

Para relacionar el trabajo realizado con el tiempo invertido en realizarlo, definimos una nueva magnitud que llamaremos potencia y que determina la cantidad de trabajo realizada en la unidad de tiempo. Por lo tanto, para calcular la potencia habrá que dividir el trabajo realizado entre el tiempo que se ha empleado para ello:

En el sistema internacional a esta nueva unidad la denominamos vatio (W). De forma que cuando se realiza un trabajo de un julio en un segundo, se está empleando una potencia de un vatio:

Existen otras unidades de potencia en la vida diaria, como el kilovatio y el caballo de vapor; sus equivalencias respectivas son:

Capítulo 2. ENERGÍA Y TIPOS DE ENERGÍA

Para realizar un trabajo es necesario efectuar una fuerza que produzca un desplazamiento. Todo aquello que sea capaz de desarrollar este tipo de fuerzas podrá, por lo tanto, efectuar un trabajo. El motor de un coche o el de una lavadora pueden realizar trabajo, pero también los seres vivos, el viento, el agua del mar o de un río son capaces de producir trabajo. A esa capacidad para producir trabajo es lo que llamamos energía.

Por ejemplo, el viento puede inflar una vela y dar lugar al desplazamiento de un velero. A esta energía producida por el viento la llamamos energía eólica. Algunas transformaciones químicas, como la combustión de la gasolina, pueden mover un motor que dará lugar al desplazamiento de un coche. Se trata de la energía química. Mediante la electricidad aprovechamos el trabajo de la mayoría de nuestros electrodomésticos. Es la energía eléctrica.

Existen otras formas de energía debidas al Sol, la luz, los combustibles nucleares, etc. Pero las energías que podemos llamar básicas pueden reducirse a dos: la energía cinética y la energía potencial.

Capítulo 3. ENERGÍA CINÉTICA

Energía cinética es la que tiene un cuerpo debido a su movimiento. Un cuerpo que se esté moviendo y choca con otro que se encuentra en su camino, comunica a éste una fuerza que, si es mayor que el rozamiento, puede llegar a desplazarlo produciendo un trabajo. Por lo tanto, un cuerpo que esté en movimiento es capaz de producir trabajo y como consecuencia de ello tiene energía. A este tipo de energía la llamamos energía cinética.

La energía cinética depende de la velocidad del cuerpo y de su masa como puede verse en su expresión matemática:

 

donde E_c es la energía cinética, m es la masa del cuerpo y v la velocidad que tiene en ese instante.

Aplicando las unidades del Sistema Internacional, la masa se mide en kilogramos y la velocidad en m/s, luego las unidades de la energía cinética son:

 

Pero como Kg · m/s² es el producto de las unidades de masa por las de aceleración, es decir, se trata de una unidad de fuerza (el Newton, N), resulta que la unidad usada en el cálculo de la energía cinética se reduce a N · m (newtons · metro), que es una unidad de trabajo que, como ya hemos visto, se llama julio.

Así por ejemplo, para calcular la energía cinética de un cuerpo de 50 kg de masa a una velocidad de 20 m/s, utilizando la fórmula, nos quedaría:

Capítulo 4. ENERGÍA POTENCIAL

La energía potencial es la que poseen algunos cuerpos debido a su posición con respecto a otros. Si elevamos un cuerpo con la mano hasta una cierta altura estamos realizando un trabajo que es igual al producto de la fuerza realizada (peso del cuerpo) por el aumento de la altura efectuado. Mediante este trabajo hemos conseguido que el cuerpo se encuentre a una altura superior a la que tenía antes de realizar la fuerza. Si el cuerpo vuelve a caer hasta su posición anterior será capaz de efectuar un trabajo, el mismo que hemos realizado para subirlo.

Si efectuamos trabajo para levantar un cuerpo hasta una cierta altura se debe a que sobre el cuerpo actúa la fuerza de la gravedad, por lo tanto es la fuerza gravitatoria la responsable de la realización del trabajo y de la existencia de la energía potencial. Para calcularla usamos la siguiente fórmula:

 

donde m es la masa del cuerpo, g es un número constante (9,8 m/s²) y h es la altura a la que se encuentra el cuerpo. El resultado de la operación de multiplicar Kg · m/s² · m vuelve a darnos, como en la energía cinética, julios como unidad de medida en el Sistema Internacional.

Capítulo 5. ENERGÍA MECÁNICA Y SU CONSERVACIÓN

Un cuerpo que está en movimiento y además se encuentra a una cierta altura, posee tanto energía cinética como energía potencial. A la suma de ambas la llamamos energía mecánica y su valor depende de la masa, la altura y la velocidad; como éstas últimas dependen del sistema de referencia escogido, la energía mecánica dependerá también de dicho sistema de referencia:

 

Si observamos la figura vemos que la bola de la figura a no tiene energía cinética puesto que se encuentra parada y su velocidad es cero (es decir, Ec = 0). Su energía potencial es:

 

Por lo tanto su energía mecánica será:

 

En la ilustración siguiente, la bola ha caído y acaba de tocar el suelo. La fuerza gravitatoria (el peso = m · g) ha realizado un trabajo que es igual al producto de:

 

Ya que el espacio recorrido coincide con la altura del edificio. Este trabajo realizado por la fuerza gravitatoria ha servido para transformar la energía potencial que tenía el cuerpo cuando se encontraba en la parte superior del edificio, en la energía cinética que tiene al llegar al suelo. De forma que al llegar al suelo, la energía potencial es cero, ya que no tiene altura, y la energía cinética vale 7840 J. Por lo que la energía mecánica es también:

 

Como hemos visto, la energía mecánica mantiene el mismo valor en la parte superior y en la parte inferior del edificio. Esta proposición es válida en todo el trayecto, y se puede definir en general, que la energía mecánica se conserva en todos los procesos sometidos a la fuerza gravitatoria. Es el principio de conservación de la energía mecánica.

Sin embargo, en la mayoría de los movimientos existe una fuerza que se opone al mismo, es la fuerza de rozamiento. Esta fuerza no la hemos tenido en cuenta al definir el principio de la conservación de la energía mecánica; y debíamos haber considerado que siempre que exista mencionada fuerza habrá que realizar un trabajo extra para vencerla.

Capítulo 1. EL ENLACE QUÍMICO

Dentro de las configuraciones electrónicas de los átomos hay algunas que son muy estables, las que tienen completa la última de sus capas. Los elementos que tienen estas estructuras son muy estables y es difícil que experimenten transformaciones químicas. Por eso forman el grupo llamado gases nobles. El resto de los elementos tienen cierta tendencia a aproximarse a esa estructura por lo que son capaces de perder, ganar o compartir electrones.

Si pierden uno o más electrones, el número de protones del núcleo sería mayor por lo que tendría carga positiva. Es lo que llamamos un ion positivo o catión. En caso de ganar electrones, se formaría un ion negativo o anión.

Entre los elementos químicos se pueden dar varios tipos de enlaces químicos:

• Enlace iónico: Cuando un catión y un anión se aproximan entre sí, aparecen entre ellos fuerzas de tipo eléctrico que les mantienen unidos. La unión entre los iones no se realiza solamente a partir de dos de ellos. Intervienen muchos más, formando una estructura geométrica que se repite en las tres direcciones del espacio.
• Enlace covalente: Compartición de uno o varios electrones entre dos átomos que de esta manera quedan unidos.
• Enlace metálico: Está formado por estructuras de átomos sumamente compactas que dejan electrones libres que pueden moverse por todo el material.

Capítulo 2. ESTADOS DE LA MATERIA

 Ya conoces los tres estados de la materia (trabajados en el Módulo Materia y Energía I del curso 1.2): sólido, líquido y gaseoso.

El estado sólido.

La propiedad más característica de los sólidos es que tienen forma definida que no varía al cambiarlos de un recipiente a otro. Otras propiedades específicas de los sólidos:

• Elasticidad: Cuando estiramos o comprimimos un muelle de acero, éste retorna a su estado anterior en cuanto abandonamos la fuerza que ejercíamos sobre él. Esta propiedad de recuperación se llama elasticidad y la poseen algunos materiales como la goma, el caucho o el muelle de acero.

• Brillo: Cuando sobre una superficie incide un rayo de luz, éste se puede reflejar de diferentes formas dando lugar a diferentes tipos de brillos: metálico, vítreo, nacarado… Otros cuerpos carecen de brillo como el corcho o el cartón.

• Dureza: Es la resistencia de un sólido a rayarse. No se debe confundir con tenacidad, que es la resistencia a romperse. Así, por ejemplo, un material como el vidrio es difícil de rayar (duro) pero fácil de romper (frágil).

El estado líquido

Los líquidos se caracterizan por tomar la forma de los recipientes que los contienen. Otras propiedades características de los líquidos son:

• Viscosidad: Es la dificultad que presentan las partículas de un líquido a desplazarse unas sobre otras. Así por ejemplo, el aceite es más viscoso que el vinagre o el petróleo más que el agua.
• Capilaridad: Son el resultado de las fuerzas que actúan entre el recipiente y el líquido que contiene. Son mayores cuanto más delgado sea el tubo que contiene al líquido. En los vegetales existen elementos tubulares finísimos por los cuales los líquidos ascienden hasta considerable altura.

El estado gaseoso

En los gases, las moléculas tienen tal libertad de movimiento que pueden abandonar el recipiente que las contiene si no está cerrado.

Cuando se quieren estudiar las propiedades de un gas, es primordial tener en cuenta: el volumen que ocupan, la presión a la que están sometidos y su temperatura. Estas características son inseparables, de forma que no se puede hacer mención de una de ellas sin tener en cuenta las otras dos. Es decir, un gas que se encuentre a 100ºC en un recipiente de 2 litros ejerce distinta presión que si en el mismo volumen hubiera una temperatura de 5ºC, o que si, a la misma temperatura, el volumen se aumentara a 15 litros.

Capítulo 3. MEZCLAS

Si juntamos varias sustancias como arena, sal, aceite y agua, se forma lo que llamamos una mezcla. En ella, cada uno de sus componentes mantiene su propia identidad; así la arena sigue siendo arena y el agua, agua, aunque a veces resulte difícil la identificación visual de cada uno.

Cuando una sustancia no está mezclada con ninguna otra decimos que se encuentra en estado puro (sustancia pura); esto no es habitual en la naturaleza, En general lo que observamos son varias sustancias agrupadas formando mezclas.

Tipos de mezclas.

Existen dos grandes grupos de mezclas:

• Mezcla homogénea: es imposible distinguir a simple vista sus componentes; por ejemplo el aire o el agua salada.
• Mezcla heterogénea: se pueden distinguir sus componentes a simple vista; por ejemplo el turrón duro o la mezcla de agua con arena.

También podemos clasificar las mezclas por el estado de sus componentes.:

• Mezclas sólido-sólido: Son mezclas en las que los componentes están en estado sólido como las maderas usadas para hacer el aglomerado utilizado en la fabricación de muebles, las aleaciones de metales (cobre y estaño para formar bronce) o la mezcla de arena y arcilla que forma el suelo de la naturaleza. Una mezcla importante de este tipo la constituye los residuos sólidos urbanos de nuestra basura (RSU). La tendencia actual es la separación en origen de estos sólidos para favorecer el reciclaje (vidrio, papel, envases, pilas y orgánicos).

• Mezclas sólido–líquido: Tanto el agua con arena como el agua salada son mezclas de un sólido (la arena o la sal) con un líquido (el agua). La primera es una mezcla heterogénea y la segunda homogénea.

• Mezclas gas-líquido: Cuando destapamos una cerveza o una gaseosa aparecen unas burbujas que salen del líquido a la atmósfera. Se trata de un gas (CO₂) que se encuentra mezclado con el líquido y que al cambiar la presión, abriendo la botella, es expulsado al exterior. Otras mezclas de este tipo la encontramos en el agua del mar y de los ríos que contienen cierta cantidad de oxígeno disuelto necesario para la respiración de los animales acuáticos.

• Mezclas líquido-líquido: Hay líquidos que no se pueden mezclar, como el agua y el aceite y otros que sí, como el agua con el alcohol. El petróleo es otro ejemplo de mezcla de diferentes líquidos, todos ellos útiles como combustibles: gasolina, gasoil, fueloil, queroseno,…

• Mezcla gas-gas: El aire es la mezcla de gases más representativa desde el punto de vista de los seres vivos formado por nitrógeno (78%), oxígeno (21%) y argón (0,9%) principalmente (el resto de los gases no llega al 0,1%). Si el aire está contaminado, pueden aparecer otros gases como el dióxido de azufre (SO₂), el trióxido de azufre (SO₃), el dióxido de carbono (CO₂), el monóxido de carbono (CO) o el dióxido de nitrógeno (NO₂)

• Mezcla sólido-gas: El humo de las calefacciones o de los motores produce finísimas partículas que se mantienen en la atmósfera aumentando la contaminación atmosférica que produce problemas respiratorios.

Técnicas de separación de mezclas

• Cristalización: Cuando dejamos evaporar un líquido, las sustancias que lleva disueltas quedan depositadas en el fondo formando cristales. Es el método usado para obtener la sal marina.

• Decantación: Si se mezclan aceite y agua, el aceite queda superpuesto al agua. Con un embudo de decantación podemos eliminar el agua por la parte inferior y recuperar el aceite en la parte superior. Este método también es utilizado para separar sólidos de líquidos como se hace en las plantas depuradoras de aguas residuales en el tratamiento para su purificación.

• Adsorción: El carbón activo usado en las plantillas de las zapatillas deportivas para retener el mal olor es un ejemplo de este tipo de separación. También se usan filtros de carbón activo en el tratamiento de potabilización del agua. La adsorción es el proceso mediante el cual una sustancia retiene a otra sobre su superficie.

• Destilación: Si calentamos el petróleo tal como se obtiene de su yacimiento (crudo) en primer lugar se evaporarán los materiales más volátiles y más tarde los que tengan un punto de ebullición mayor. De esta forma se obtienen por separado los componentes del petróleo. Así por ejemplo, las gasolinas abandonan la mezcla antes de llegar a los 200ºC, el gasoil a los 270ºC,… Cada fracción de la mezcla se recoge a una temperatura distinta; por eso, el proceso se llama destilación fraccionada.

• Imanación: Sirve para separar metales ferrosos de otros materiales. En la industria son muy utilizados los electroimanes, imanes eléctricos de pequeño tamaño y gran potencia. Por ejemplo, se usan en la recuperación de metales de los RSU de los vertederos.

Capítulo 4. DISOLUCIONES

Una disolución es una mezcla homogénea en la que el componente que se encuentra en mayor cantidad se llama disolvente (suele ser agua) y al que se encuentra en menor proporción se le llama soluto. Así, en el agua salada, el agua es el disolvente y la sal el soluto.

Si preparamos una disolución añadiendo sal al agua y removemos con una cucharilla hasta que se disuelva, volviendo a añadir más sal y volviendo a agitar, llegará un momento en el que al echar más sal al agua ya no se disolverá y se quedará como sólido en el fondo del vaso. Se dice entonces que la disolución está saturada porque no admite más cantidad de soluto disuelto.

Se llama solubilidad a la cantidad máxima de soluto que se puede disolver en una determinada cantidad de disolvente. Es decir, que si podemos llegar a disolver 400 gramos de soluto en un litro de disolución diremos que la solubilidad es de 400 gramos por litro o bien 400 g/L. La solubilidad de los sólidos depende de la temperatura y en general, aumenta con ella. En el caso de los gases es al revés, al aumentar la temperatura la solubilidad disminuye. Aquí también influye la presión; si ésta aumenta, también aumenta la solubilidad.

Se llama concentración de una disolución a la relación que hay entre el soluto y el disolvente. Así, si en un litro de disolución hay 150 gramos de soluto, diremos que la concentración en ese instante es de 150 gr por litro, que se escribe 150 g/L. Esta proporción se mantiene sea cual sea el volumen de la disolución. Por ejemplo, si en un litro de disolución hay 150 gr de soluto, en medio litro habrá 75 gr y en 0,1 litro, 15 gramos siempre que la concentración sea de 150 g/L.

Por ello podemos decir que, si se quiere preparar medio litro de una disolución de concentración 100 g/L, la cantidad de soluto que deberemos preparar se calcula de la siguiente forma:

• si la concentración es de 100 gramos por litro, eso nos indica que en un litro de disolución hay 100 gramos de soluto
• como la relación debe mantenerse para cualquier volumen, se puede expresar de forma matemática como:
• es decir, deberemos tomar 50 gramos de soluto y rellenar hasta medio litro con agua.

Otro posible problema que tendríamos sería calcular la cantidad de soluto que tenemos en un volumen determinado de una disolución. Por ejemplo, para calcular que cantidad de soluto tendremos en ¼ de litro de la anterior disolución, operaríamos de la siguiente manera:

• Para resolverlo tenemos en cuenta la misma proporción que en el apartado anterior:

¿ Qué cantidad de disolución se necesitará tomar para tener 150 g de soluto?

Cuando la cantidad de soluto en la disolución es muy grande, ésta se encuentra próxima a la saturación. Se dice entonces que la disolución está concentrada. Sin embargo, si la concentración es muy pequeña, la cantidad de soluto también lo es y se dice que la disolución está diluida.

El agua ha sido siempre el disolvente por excelencia. Es el componente que se encuentra en mayor cantidad en los seres vivos por lo que la mayor parte de las transformaciones químicas biológicas se producen en disolución acuosa. También en el resto de la naturaleza es muy abundante y la mayoría de las sustancias naturales se disuelven en mayor o menor grado en agua, por lo que se ha definido al agua como el disolvente universal.

Capítulo 5. REACCIONES QUÍMICAS

 Al proceso mediante el cual unas sustancias se transforman en otras se le denomina reacción química. Por ejemplo, cuando un metal se transforma en óxido por la acción del oxígeno del aire, se trata de una reacción química.

En cualquiera de las reacciones químicas debemos distinguir las sustancias que se transforman, llamadas reactivos, Y las nuevas que aparecen, que llamamos productos. Por ejemplo, en la transformación del metal en óxido, los reactivos son el metal y el oxígeno, mientras que el producto es el óxido del metal que se ha formado.

Pero también existen otras reacciones químicas que estamos acostumbrados a ver en nuestra vida diaria, por ejemplo, la combustión de la madera. En ella, la madera se transforma en un gas llamado dióxido de carbono, y vapor de agua.

Además, este tipo de reacciones químicas (combustión) produce energía calorífica, por lo que el hombre las ha utilizado para protegerse del frío. Sin embargo, hay otras que precisa un aporte de energía para que puedan producirse, como la reacción de descomposición del agua en sus componentes, oxígeno e hidrógeno. A aquellas reacciones que producen energía durante el proceso se llama relaciones exotérmicas y aquellas que necesitan energía para que puedan realizarse son reacciones endotérmicas.

Por otra parte, existen reacciones químicas que se efectúan lentamente, como la oxidación de hierro que puede tardar varios días en apreciarse. Otras se realizan más rápidamente, como la combustión del papel, e incluso hay reacciones que se realizan a tal velocidad que pueden resultar explosivas.

Las ecuaciones químicas.

Las reacciones químicas se pueden representar mediante una ecuación.  En ella podemos apreciar lo siguiente:

• Todas las sustancias que intervienen en la reacción vienen representadas por sus fórmulas.
• Una fecha separa las fórmulas de las sustancias que intervienen en la reacción; a la izquierda quedan los reactivos y a la derecha los productos.
• Delante de cada fórmula existe un número que nos indica cuántas moléculas de cada sustancia participan en la reacción.
• En la reacción se expresa la energía que interviene en el proceso; si hay que aportar energía (endotérmica), ésta aparece en el miembro de la izquierda y si la propia reacción desprende energía (exotérmica), se coloca a la derecha.

2 C₄H₁₀ + 13 O₂   →   8 CO₂ + 10 H₂O + E         (reacción 1)

De forma que la expresión que aparece en la ecuación anterior quiere decir: dos moléculas de gas butano relacionan con 13 moléculas de oxígeno para dar como productos de la reacción ocho moléculas de dióxido de carbono y 10 moléculas de agua. Además, mientras se efectúa la reacción se desprende energía.

Esta proporción se mantiene cuando cambia el número de moléculas que participan en la reacción, es decir, si una molécula de nitrógeno reacciona con tres de hidrógeno para dar dos de amoniaco se cumplirá que dos moléculas de nitrógeno reaccionarán con seis de hidrogeno para dar cuatro de amoniaco.

N₂ + 3 H₂   →   2 NH₃       2 N₂ + 6 H₂  →   4 NH₃         (reacción 2)

Si nos fijamos en los átomos que intervienen en la reacción 1 nos daremos cuenta de que el número de átomos de carbono que hay a la izquierda de la fecha son los correspondientes a las dos moléculas de butano (C₄H₁₀), es decir, dos moléculas, por cuatro que hay en cada molécula, 2 × 4 = 8 átomos de carbono. A la derecha de la fecha el número de átomos de carbono es el correspondiente al dióxido de carbono, un átomo en cada molécula por ocho moléculas es también igual a ocho.

Por otra parte, la proporción que se establece entre las moléculas que intervienen, se mantiene también si la trasladamos a los moles de cada sustancia que participan ella. Es decir, la afirmación para las moléculas de la reacción de la ecuación

2 C₄H₁₀ (g) + 13 O₂ (g)  →   8 CO₂ (g) + 10 H₂O (g)

puede establecerse con los correspondientes moles: dos moles de butano en estado gaseoso reaccionan con 13 moles de oxígeno en el mismo estado, para formar ocho moles de dióxido de carbono gas y 10 de agua también en estado gaseoso.

En la reacción N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃ , ¿cuántos moles de amoniaco se formarán a partir de siete de hidrógeno?. Para solucionarlo operaremos de la siguiente forma: buscamos las sustancias que intervienen (N₂, H₂ y NH₃) y establecemos la proporción: tres moles de hidrógeno producen 2 de amoniaco por lo que:

Capítulo 6. LEY DE CONSERVACIÓN DE LA MASA. LEY DE LAVOISIER.

Recordando que 1 mol equivale a la masa molecular de una sustancia expresada en gramos, podemos calcular las masas de cualquier reactivo o producto que reacciona o se obtiene a partir de otra cantidad de otro reactivo o producto.

Es fácil comprobar que la masa total de todos los reactivos es igual a la masa total de los productos de la reacción. Es lo que se conoce como Ley de conservación de la masa o ley de Lavoisier.

Ejemplo. Dada la siguiente reacción:

2 ZnS + 3 O₂ ⎯⎯→ 2 ZnO + 2 SO₂.

 ¿Cuántos gramos ZnS reaccionarán con 40 gramos de O₂ y cuántos gramos de ZnO y SO₂ se formarán?

• La masa de 2 moles de ZnS será: m = n · M = 2 mol · 97,5 g/mol = 195 g.
• Igualmente, la masa de 3 moles de O₂: m = 3 mol · 32 g/mol = 96 g
• 2 moles de ZnO equivalen a: : m = 2 mol · 81,4 g/mol = 162,8 g
• 2 moles de SO2 equivalen a: : m = 2 mol · 64,1 g/mol = 128,2 g

• Se obtienen tres proporciones que permiten calcular las masas de ZnS, ZnO y SO₂:

 Capítulo 7. LA QUÍMICA EN LA SOCIEDAD Y EN EL MEDIO AMBIENTE.

Las reacciones químicas tanto industriales como naturales, así como reacciones de la actividad humana, como la combustión de la gasolina y el carbón de calefacción, influyen en el medio ambiente pudiendo contaminar éste de sustancias tóxicas o que produzcan efectos nocivos en él. La contaminación puede producirse tanto en el aire, como en las aguas como en el suelo.

Contaminación del aire.

• Incremento del efecto invernadero. Se produce por las emisiones de CO₂ tanto industriales como de la combustión de los motores de los automóviles. Igualmente influye en este alto nivel de dióxido de carbono la deforestación que produce un menor consumo de este gas por las masas forestales. El CO₂ produce una capa en la atmósfera que impide que la radiación solar que incide sobre la Tierra pueda escapar de ésta, con lo que se produce un aumento progresivo en la temperatura global del planeta con efectos negativos tales como el deshielo progresivo de los polos con el aumento del nivel del mar, así como el aumento en las sequías que provoca daños a veces irreparables en flora y fauna.

• Destrucción de la capa de ozono. Se produce por la emisión de gases que contienen cloro (CFC) que existían en algunos sprays y en los sistemas de refrigeración; estos gases, al llegar a la estratosfera, en donde se encuentra la capa de ozono, liberan átomos de cloro, siendo cada uno de ellos de romper muchas moléculas de ozono (O₃) y transformarlo en oxígeno y monóxido de cloro (Cl + O₃ → ClO + O₂). La importancia del ozono se debe a que es un filtro muy importante que impide que se cuelen en la atmósfera una cantidad muy importante de rayos ultravioleta que son dañinos, por producir cáncer de piel, cataratas e incluso alteraciones genéticas (mutaciones).

• Lluvia ácida. Se produce por la emisión a la atmósfera de óxidos de azufre y de nitrógeno, que al reaccionar con el agua de la atmósfera (nubes) forma ácidos sulfúrico y nítrico, que al caer con las precipitaciones producen efectos devastadores sobre los bosques, así como la acidificación del suelo e incluso la destrucción de monumentos histórico-artísticos fabricados con piedra caliza, muy vulnerable a la acción de los ácidos.

Contaminación de las aguas.

Se produce por roturas en las instalaciones que contienen residuos tóxicos, tales como metales pesados (plomo, mercurio…), como la producida en 1998 en Alnazcollar que contaminó gravemente el parque Nacional de Doñana. También puede producirse por vertidos incontrolados de algunas empresas y por el calentamiento artificial de las aguas cuando éstas se utilizan como sistemas de refrigeración, tal y como ocurre en las centrales nucleares, que al elevar la temperatura disminuye la concentración de oxígeno disuelto, necesario para la supervivencia de algunos peces. Igualmente, la contaminación puede producirse por microorganismos tales como bacterias u hongos, que producen enfermedades a los animales que ingieren dichas aguas.

Contaminación del suelo.

El suelo suele contaminarse fundamentalmente por la gran cantidad de residuos sólidos urbanos que la civilización trae consigo y también por residuos agrícolas (pesticidas) o industriales, como los aceites y productos químicos. Si el suelo se contamina llega a hacer imposible su explotación agrícola o ganadera. La contaminación del suelo suele estar asociada con la contaminación de las aguas

Capítulo 1. EL MODELO ATÓMICO

Las primeras ideas sobre los átomos hacían pensar en unas unidades muy pequeñas e indivisibles, de forma que no podían contener nada en su interior, pero según se fueron desarrollando las técnicas de investigación, se descubrió que están formados por partículas aun más diminutas. Las partículas subatómicas son de tres tipos:

• Electrones: Se encuentran en la periferia o corteza del átomo y tienen carga eléctrica negativa; su masa es la más pequeña de las tres.
• Protones: Son mucho mayores que los electrones (unas 2000 veces) y se encuentran en el interior del átomo; tienen carga positiva.
• Neutrones: También se encuentran en el interior como los protones, siendo su masa similar a la de ellos pero sin actividad eléctrica, es decir, son neutros.

En 1906, Rutherford (físico inglés) consiguió atravesar finas láminas de oro con partículas α (formadas por 2 protones y 2 neutrones) lo que hizo pensar que el átomo estaba prácticamente hueco, de forma que la distancia entre el núcleo y la corteza es sumamente grande en comparación con las dimensiones de las partículas subatómicas.

Los átomos se caracterizan por poseer protones y neutrones en el núcleo y electrones en la corteza. Por lo tanto, el átomo más sencillo que existe debe tener un protón en el núcleo y un electrón en la corteza. Se trata del átomo de hidrógeno (H). Si existiera otro protón en el núcleo y otro electrón en la corteza, se trataría de otro átomo diferente al anterior y el segundo en cuanto a sencillez. Es el átomo de helio (He).

Los neutrones no influyen en la diferenciación de los átomos. Así, por ejemplo, los átomos que forman el hidrógeno pueden tener uno, dos o ningún neutrón, pero siguen formando el mismo gas hidrógeno. Lo mismo sucede en el resto de los átomos. Puesto que los átomos son eléctricamente neutros, el número de protones debe ser igual al de electrones y así, al sumar las cargas eléctricas con su correspondiente signo, el resultado es cero. Al número de protones que tiene cada átomo se le llama número atómico.

Las propiedades químicas de las sustancias dependen de la corteza del átomo, que es donde se encuentran los electrones. Aunque las propiedades químicas sean las mismas, la masa de los átomos de un elemento dependen de la cantidad de neutrones y protones que contengan. Aquellos átomos que tienen el mismo número de protones pero distinto número de neutrones en el núcleo se llaman isótopos. Al resultado de la suma del número de protones y neutrones de un átomo se le llama número másico.

Capítulo 2. EL SISTEMA PERIÓDICO

En la ilustración aparecen ordenados los átomos conocidos con sus correspondientes símbolos. Es lo que se llama sistema periódico.

No todos los átomos que aparecen en la tabla existen realmente en la naturaleza, algunos han sido creados artificialmente en el laboratorio y no se encuentran en el entorno natural. Tanto unos como otros se encuentran ordenados por su número atómico, apareciendo el símbolo de cada uno de ellos y el nombre de los mismos.

En el sistema periódico los elementos distribuidos en filas y columnas. A cada una de las filas la llamamos periodo y a cada columna, grupo. Por lo tanto, el sistema periódico está formado por 7 periodos y 18 grupos.

Todos aquellos elementos que pertenecen al mismo grupo se caracterizan por tener propiedades similares (carácter metálico, capacidad para combinarse con otros elementos,…). Por ello, algunos grupos reciben nombres particulares; así, el primero de ellos es el grupo de los elementos alcalinos, el siguiente el de los alcalino-térreos,…

La clasificación más general de los elementos del sistema periódico los divide en dos grandes grupos. Así, llamaremos metales a todos aquellos elementos que sean buenos conductores del calor y la electricidad, que tengan brillo metálico y que reaccionen con sustancias ácidas. Llamaremos no metales a los que carezcan de esas propiedades.

Los electrones están situados en el átomo formando distintas capas. Cada una de ellas consta de una serie de niveles que se llaman orbitales, dentro de las cuales se encuentran los electrones que posee cada átomo. La primera capa, la más interna, consta de un solo orbital llamado 1s en el que caben 2 electrones. La segunda capa dispone de dos tipos de orbitales, el 2s y el 2p en los que caben 2 y 6 electrones respectivamente. En la tercera capa hay tres tipos de orbitales: 3s (2 electrones), 3p (6 electrones) y 3d (10 electrones). En la 4 capa: 4s, 4p, 4d y 4f (con 14 electrones)…

Si sumamos los electrones que pueden ocupar cada uno de los orbitales tendremos:

• En la primera capa pueden existir dos electrones, correspondientes al orbital 1s
• En la segunda, 8; 2 en el orbital 2s y 6 en los 2p
• En la tercera, 18; 2 en el 3s, 6 en los 3p y 10 en los 3d
• En la cuarta, 32; 2 en el 4s, 6 en los 4p, 10 en los 4d y 14 en los 4f…

y de esta forma podríamos seguir calculando la capacidad de cada una de las capas, teniendo en cuenta que el número máximo de electrones en cada una de ellas responde a la fórmula: número de electrones = 2·n², siendo n el número de la capa.

El orden de llenado de electrones no siempre coincide con el de las capas. En la ilustración puedes ver que antes de llenarse el orbital 3d comienza a llenarse el 4s y hasta que no está completo no se llena el d de la capa anterior. Lo mismo sucede con otros casos, por lo que a la hora de establecer la estructura de un elemento deberemos seguir ese orden determinado.

La radioactividad es una radiación emitida por algunos de los elementos del sistema periódico. Sus efectos en el ser humano pueden llegar a ser muy perniciosos cuando la intensidad sobrepasa ciertos límites. En la naturaleza existen algunos elementos radioactivos, cuyos núcleos atómicos no son estables y emiten radiación, como el Uranio (U), el Polonio (Po) o el Torio (Th). La radiación puede ser de varios tipos:

• Alfa (α), núcleos del átomo de Helio (He)
• Beta (β), electrones
• Gamma (ϒ), radiación fuertemente energética

Capítulo 3. LA MASA ATÓMICA

La masa atómica es la masa de un átomo comparada con la masa de un átomo de hidrógeno (aunque en la actualidad se toma como referencia la doceava parte de la masa de un átomo de Carbono). Eso no quiere decir que si la masa del nitrógeno es 14, un átomo de nitrógeno tenga de masa 14 gramos, ya que como acabamos de ver, se trata de una magnitud relativa.

Sin embargo, a la hora de trabajar en el laboratorio o en la industria se usan unidades reales de masa. Para ello los científicos usan una unidad de masa llamada mol, que corresponde con una cantidad de gramos igual a la masa atómica de cada elemento. Así, un mol de sodio son 23 gr de sodio (Na), ya que su masa atómica es de 23. De esta forma, cuando a la masa atómica le añadimos la palabra “gramos” estamos trabajando con un mol de ese elemento.

Capítulo 4. LAS MOLÉCULAS

La materia no está formada por átomos aislados de Nitrógeno (Ni), de hidrógeno (HA), de fósforo (P) o de cualquier otro tipo, sino por grupos de ellos, iguales o diferentes, que llamamos moléculas. Así, el agua que bebemos está formada por infinidad de moléculas, cada una de las cuales tiene dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. El cloro presente en el agua también está formado por gran cantidad de moléculas, en este caso cada una con dos átomos de cloro (Cl).

Eso quiere decir que hay sustancias formadas por un solo tipo de átomos (como el cloro o el fósforo) y hay otras en las que participan átomos distintos (como en el agua o el amoniaco). En el primer caso decimos que las sustancias son elementos químicos y en el segundo caso se trata de compuestos químicos. Por eso, el fósforo es un elemento mientras que el agua es un compuesto.

Para representar las sustancias, en química se utiliza la fórmula química correspondiente a cada una. Así el agua se representa por H₂O y el carbonato de calcio, que forma los huesos o los dientes, por CaCO₃. Las fórmulas no pretenden solamente dar un nombre a la sustancia sino que intentan darnos una información sobre la molécula a partir de la cual está formada.

Si nos fijamos en la fórmula del compuesto de los huesos vemos que está formada por las letras Ca, C y O que corresponden con los símbolos de los elementos químicos del sistema periódico; calcio, carbono y oxígeno. El número que aparece bajo el símbolo del oxígeno indica que son 3 los átomos de ese elemento los que forman la molécula. Si no hay ningún número, como ocurre bajo el calcio y bajo el carbono, indica que sólo hay un átomo de esos elementos en la molécula.

Si para calcular la masa de un mol de átomos el procedimiento era buscar en el sistema periódico la masa atómica del correspondiente átomo y expresar esa cantidad en gramos, para calcular la masa de un mol de una molécula calcularemos la masa molecular y la expresaremos en gramos.  Por ejemplo, la masa de un mol de carbonato cálcico (CaCO₃) será:

• Buscamos en el sistema periódico la masa atómica de cada uno de los átomos componentes de la molécula (la del Calcio es 40, la del carbono es 12 y la del oxígeno, 16)
• Las multiplicamos por sus subíndices respectivos: (40×1, 12×1 y 16×3)
• Sumamos los resultados obtenidos (100)
• Expresamos el resultado en gramos: Masa de un mol de Carbonato cálcico = 100 gramos