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OUIMICA OUIMICA 1. segunda edición. Víctor Manuel Ramírez Regalado. OUIMICA 1


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1 M Y CM MY CY CMY K Este libro pertenece a la segunda edición de la Serie Integral por Competencias, que Grupo Editorial Patria lanza con base en los nuevos programas de la Dirección General de Bachillerato (DGB), además cubre 100% los planes de la reforma y el Marco Curricular Común propuesto por la Secretaría de Educación Pública (SEP). Te invitamos a trabajar con esta nueva serie, totalmente rediseñada y descubrir la gran cantidad de recursos que proporciona. En esta edición seguimos los cambios pedagógicos que realizó la DGB, en los que se integran objetos de aprendizaje, desempeños al concluir el bloque, competencias a desarrollar; además proponemos secciones de gran utilidad como: Situaciones didácticas Secuencias didácticas Rúbricas Portafolios de evidencias Actividades de aprendizaje Instrumentos de evaluación (Listas de cotejo y Guías de observación), entre otras. Para el profesor, se incluye una guía impresa que ha sido especialmente realizada para facilitar la labor docente; en nuestro portal para esta serie, alumno y profesor encontrarán diversos objetos de aprendizaje en la dirección: OUIMICA 1 DGB Serie integral por competencias C DGB Ramírez Regalado OUIMICA 1 OUIMICA segunda edición Víctor Manuel Ramírez Regalado EMPRESA DEL GRUPO Serie integral por competencias 1

2 Edición especial para Tabasco Víctor Manuel Ramírez Regalado segunda edición 2014

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4 Edición especial para Tabasco Víctor Manuel Ramírez Regalado segunda edición 2014

5 Para establecer comunicación con nosotros puede utilizar estos medios: correo: Renacimiento 180, Col. San Juan Tlihuaca, Azcapotzalco, 02400, México, D.F. Fax pedidos: Grupo Editorial Patria División Bachillerato, Universitario y Profesional Dirección editorial: Javier Enrique Callejas Coordinación editorial: Alma Sámano Diseño de interiores y portada: Juan Bernardo Rosado Solís Supervisión de producción: Miguel Ángel Morales Verdugo Diagramación: Braulio Morales Sánchez Fotografías: Thinkstock Ilustraciones y fotografía: Carlos Enrique León Chávez Química 1 Edición especial para Tabasco. Derechos reservados: 2009, 2013, Víctor Manuel Ramírez Regalado 2009, 2013, Grupo Editorial Patria, S.A. de C.V. ISBN (segunda edición) ISBN (primera edición) (0155) sitio web: Renacimiento 180, Col. San Juan Tlihuaca, Delegación Azcapotzalco, Código Postal 02400, México, D.F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana Registro núm Queda prohibida la reproducción o transmisión total o parcial del contenido de la presente obra en cualesquiera formas, sean electrónicas o mecánicas, sin el consentimiento previo y por escrito del editor. teléfono: (0155) Impreso en México / Printed in Mexico

6 Grupo Editorial Patria Contenido Introducción a la asignatura y a tu libro VII Competencias genéricas de Bachillerato General VIII Competencias disciplinares básicas del campo de Ciencias experimentales... Las secciones de tu libro IX X 1 BLOQUE Reconoces a la Química como una herramienta para la vida 1.1 La Química El método científico y sus aplicaciones BLOQUE Comprendes la interrelación de la materia y la energía 2.1 Materia: propiedades y cambios Energía y su interrelación con la materia BLOQUE Explicas el modelo atómico actual y sus aplicaciones 3.1 Modelos atómicos y partículas subatómicas Conceptos básicos (número atómico, masa atómica y número de masa) Configuraciones electrónicas y los números cuánticos Los isótopos y sus aplicaciones BLOQUE Interpretas la tabla periódica 4.1 Elementos químicos Propiedades periódicas y su variación en la tabla periódica Utilidad e importancia de los metales y no metales para la vida socioeconómica del país y el mundo V

7 BLOQUE 5 BLOQUE Interpretas enlaces químicos e interacciones intermoleculares 5.1 Enlace químico Regla del octeto Formación y propiedades de los compuestos con enlace iónico Formación y propiedades de los compuestos con enlace covalente (tipos de enlace covalente) Enlace metálico Fuerzas intermoleculares BLOQUE Manejas la nomenclatura química inorgánica 6.1 Reglas de la uiqpa para escribir fórmulas y nombres de los compuestos químicos inorgánicos BLOQUE Representas y operas reacciones químicas 7.1 Símbolos en las ecuaciones químicas Tipos de reacciones químicas Balanceo de ecuaciones químicas BLOQUE Comprendes los procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas 8.1 Entalpía Reacciones endotérmicas y exotérmicas Velocidad de reacción Desarrollo sustentable Glosario Bibliografía Vínculos en Internet VI

8 Grupo Editorial Patria Introducción a la asignatura y a tu libro Química 1 primera edición pertenece a la Serie integral por competencias de Grupo Editorial Patria y está completamente apegado a los contenidos correspondientes a la asignatura del bachillerato general. Pertenece al campo de conocimiento de las ciencias experimentales. Además se ha realizado con base en un innovador diseño a todo color, que facilita la lectura, permite la rápida identificación de los temas de estudio, su localización inmediata y el uso óptimo de información de apoyo. El estudio de la Química es fundamental para el ser humano, ya que se aplica en todo lo que le rodea. Por ello, en Química 1 se pretende que el estudiante conozca y comprenda los fenómenos químicos y utilice su creatividad en la búsqueda de la conservación o mejoramiento de nuestro entorno. Este libro se ha organizado de acuerdo con el enfoque pedagógico actual por competencias, que busca la participación activa del alumno en la construcción de nuevos conocimientos, propiciando la observación, la reflexión y la experimentación. Además incluye un sólido aparato de evaluación que aparece al final de cada bloque, con rúbricas, guías de observación y listas de cotejo. Se encontrarán las competencias genéricas y competencias disciplinares relativas a Química 1 integradas en ocho bloques de aprendizaje, con el objeto de facilitar la formulación y/o resolución de situaciones o problemas de manera integral en cada uno, y de garantizar el desarrollo gradual y sucesivo de distintos conocimientos, habilidades, valores y actitudes, en el estudiante. En el Bloque 1 se reconoce a la Química como una herramienta para la vida conjuntamente con el estudio del método científico para la resolución de problemas; en el Bloque 2 se presentan las interrelaciones de la materia y la energía; en el Bloque 3 se estudian los modelos atómicos que dieron origen al modelo actual y sus aplicaciones en la vida cotidiana; en el Bloque 4 se hace una interpretación de la tabla periódica y se analizan los antecedentes que dieron lugar a la tabla periódica actual, finalizando con un estudio de los metales y no metales más importantes del país, desde el punto de vista socioeconómico; en el Bloque 5 se relacionan las propiedades macroscópicas de las sustancias con los diferentes modelos de enlace tanto interatómicos como intermoleculares; en el Bloque 6 se identifican los diferentes compuestos, a través del empleo del lenguaje de la Química y se promueve el uso de normas de seguridad para el manejo de los productos químicos; en el Bloque 7 se describen los diferentes VII

9 tipos de reacciones químicas y se aplica la ley de la conservación de la materia al balancear las ecuaciones químicas y, por último, en el Bloque 8 se estudian los factores que intervienen en la velocidad de una reacción química, de manera conjunta con los intercambios de calor que experimenta la reacción, para finalizar con un análisis del consumismo y el impacto que esto genera en el medio ambiente y en la vida cotidiana. Es importante destacar que la asignatura de Química 1 contribuye ampliamente al desarrollo de las competencias genéricas que conforman el perfil de egreso del bachiller, cuando se autodetermina y cuida de sí, por ejemplo, al enfrentar las dificultades que se le presentan al resolver un problema y es capaz de tomar decisiones ejerciendo el análisis crítico; se expresa y comunica utilizando distintas formas de representación gráfica (símbolos químicos, reacciones químicas, etcétera) o incluso cuando emplea el lenguaje ordinario, u otros medios (ensayos, reportes de actividades experimentales) e instrumentos (calculadoras, computadoras) para exponer sus ideas; piensa crítica y reflexivamente al construir hipótesis; diseña y aplica modelos teóricos, evalúa argumentos o elige fuentes de información para analizar o resolver situaciones y problemas de su entorno; aprende de forma autónoma cuando revisa sus procesos de construcción del conocimiento (aciertos, errores) o los relaciona con su vida cotidiana; trabaja en forma colaborativa al aportar puntos de vista distintos o proponer formas alternas de solucionar un problema; participa con responsabilidad en la sociedad al utilizar sus conocimientos para proponer soluciones a problemas diversos considerando el cuidado del medio ambiente y el desarrollo sustentable. Víctor Manuel Ramírez Regalado Competencias genéricas del Bachillerato General Las competencias genéricas son aquellas que todos los bachilleres deben estar en capacidad de desempeñar, y les permitirán a los estudiantes comprender su entorno (local, regional, nacional o internacional) e influir en él, contar con herramientas básicas para continuar aprendiendo a lo largo de la vida, y practicar una convivencia adecuada en sus ámbitos social, profesional, familiar, etc., Estas competencias junto con las disciplinares básicas constituyen el Perfil del Egresado del Sistema Nacional de Bachillerato. A continuación se enlistan las competencias genéricas: 1. Se conoce y valora a sí mismo y aborda problemas y retos teniendo en cuenta los objetivos que persigue. 2. Es sensible al arte y participa en la apreciación e interpretación de sus expresiones en distintos géneros. 3. Elige y practica estilos de vida saludables. 4. Escucha, interpreta y emite mensajes pertinentes en distintos contextos mediante la utilización de medios, códigos y herramientas apropiados. 5. Desarrolla innovaciones y propone soluciones a problemas a partir de métodos establecidos. 6. Sustenta una postura personal sobre temas de interés y relevancia general, considerando otros puntos de vista de manera crítica y reflexiva. 7. Aprende por iniciativa e interés propio a lo largo de la vida. 8. Participa y colabora de manera efectiva en equipos diversos. 9. Participa con una conciencia cívica y ética en la vida de su comunidad, región, México y el mundo. 10. Mantiene una actitud respetuosa hacia la interculturalidad y la diversidad de creencias, valores, ideas y prácticas sociales. 11. Contribuye al desarrollo sustentable de manera crítica, con acciones responsables. VIII

10 Grupo Editorial Patria Competencias disciplinares básicas del campo de Ciencias experimentales Competencias disciplinares básicas 1. Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos. Bloques de aprendizaje X X X 2. Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas. 3. Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y planea las hipótesis necesarias para responderlas. 4. Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. 5. Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones. 6. Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas. 7. Explicita las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos. X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X 8. Explica el funcionamiento de máquinas de uso común a partir de nociones científicas. 9. Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesidades o demostrar principios científicos. 10. Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos. 11. Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental. X X X X X X X X X 12. Decide sobre el cuidado de su salud a partir del conocimiento de su cuerpo, sus procesos vitales y el entorno al que pertenece. 13. Relaciona los niveles de organización química, biológica, física y ecológica de los sistemas vivos. X 14. Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana. X X X X X X X X IX

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13 Reconoces a la Química como una herramienta para la vida 1 BLOQUE Objetos de aprendizaje 1.1 La Química 1.2 El método científico y sus aplicaciones Competencias a desarrollar n Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos. n Explicita las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos. n Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas. n Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental. n Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas. n Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana. n n n Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones. Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas. n n n Asume una actitud que favorece la solución de problemas ambientales en los ámbitos local, nacional e internacional. Reconoce y comprende las implicaciones biológicas, económicas, políticas y sociales del daño ambiental en un contexto global interdependiente. Contribuye al alcance de un equilibrio entre los intereses de corto y largo plazo con relación al ambiente.

14 Qué sabes hacer ahora? Selecciona la opción que consideres correcta y anótala en el paréntesis de la izquierda. Desempeños por alcanzar n n Comprende el concepto de Química, su desarrollo histórico y su relación con otras ciencias. Utiliza el método científico en la resolución de problemas de su entorno inmediato relacionados con la Química. ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) La Química se define como: a) ciencia que estudia la materia y sus transformaciones. b) ciencia experimental que estudia los átomos. c) ciencia que estudia la energía y sus manifestaciones. d) ciencia que estudia la naturaleza y sus fenómenos físicos y químicos. Es la cantidad de partículas contenidas en una sustancia: a) peso b) masa c) materia d) energía Por qué es importante el estudio de la Química? a) conocer la materia. b) identificar los componentes de las sustancias. c) para vivir mejor. d) para ahorrar energía. Demócrito definió a los átomos como: a) las partículas de menor tamaño posible. b) mínima porción de un compuesto. c) aquellas partículas indivisibles. d) los elementos presentes en la naturaleza. Científico destacado en la Edad Media: a) Roger Bacon b) Alberto Magno c) Al Razi d) Geber El método científico se define como: a) lo que define y diferencia el conocimiento de la ciencia del conocimiento común. b) los pasos necesarios para lograr una investigación. c) el sentido común para descubrir algo nuevo. d) el procedimiento para explicar un fenómeno natural. Métodos aplicados con mayor frecuencia en la investigación química: a) deductivo b) inductivo c) hipotético d) experimental Es el siglo que marca el surgimiento de la Química como ciencia: a) xv b) xvi c) xvii d) xviii Científicos que surgieron en los siglos xvi y xvii, respectivamente: a) Galileo y Newton b) Torricelli y Boyle c) Lavoisier y Rutherford d) Priestley y Cavendish

15 BLOQUE 1 Reconoces a la Química como una herramienta para la vida Situación didáctica Se vive mejor ahora que antes? Para contestar esta pregunta, es necesario que entrevistes a una persona con edad suficiente para recordar ese periodo; por ejemplo, a tus padres o abuelos. Con tu grupo, deberás decidir cuáles preguntas incluirás en las entrevistas. A continuación se dan algunos ejemplos; puedes emplearlas o desarrollar tus propias preguntas, pero todos los equipos aplicarán las mismas para que sea posible comparar los resultados. 1. Cómo describiría la localidad donde vivió cuando era niño(a) (urbana, suburbana o rural)? 2. Cuál era la fuente principal de calefacción en la casa donde pasó su infancia? 3. Cómo se abastecía esa fuente de calor? Tenía que conseguir el combustible o era entregado en su casa? 4. Cuál era la fuente principal de iluminación en la casa donde vivió su infancia? Qué fuente de energía se empleaba para obtenerla? Cómo lo resolverías? 7. Qué combustible se empleaba para cocinar? 5. Cuál, si lo había, era el medio principal de transporte público? 6. Cuál era el medio principal de transporte privado? 8. Si compraba sus alimentos en vez de cultivarlos o criarlos, cómo estaban empacados? 9. En qué clase de recipiente se obtenía la leche? 10. Qué clase de jabón se empleaba para lavar la ropa? 11. Cuáles eran las telas principales que se empleaban para la fabricación de ropa? Antes de realizar la entrevista, cada equipo deberá practicarla con uno de sus miembros. Esto dará información actual que podrá compararse y te ayudará a mejorar tus habilidades como entrevistador. 4

16 Grupo Editorial Patria Trabajo individual Secuencia didáctica n Haz una investigación, utilizando las respuestas de las preguntas anteriores sobre cómo se vivía en el siglo pasado. Trabajo por equipos n Cada miembro del equipo presenta los resultados de su investigación de manera que todos definen un concepto propio sobre la vida en el siglo pasado respecto al siglo actual. n El equipo hará una presentación de los resultados de esta investigación. Qué tienes que hacer? Evidencias a recopilar n Investigación individual sobre el tipo de muebles actuales y los del siglo pasado, los medios de comunicación actuales. Qué instrumento usaban para realizar cálculos, escribir documentos; cocinar, transportarse, etcétera. n Escribe en media cuartilla qué tipo de vida prefieres, la pasada o la presente, de acuerdo con los avances tecnológicos. Rúbrica Con el propósito de revisar si adquiriste los conocimientos del bloque, pregúntate lo siguiente: n Con la dirección del profesor organicen un debate sobre las ventajas modernas en tecnología respecto al pasado, con relación al uso de las tecnologías de la información y comunicación. Pueden utilizar como guía las siguientes preguntas. n Cuántos aparatos de tu casa dejarían de funcionar sin electricidad? Enúncialos. n Qué harías si no tuvieras energía eléctrica en tu casa? n Qué propones para combinar la modernidad con la ecología? n Existía la contaminación ambiental? Por qué? Cómo sabes que lo hiciste bien? Autoevaluación Con el propósito de revisar si adquiriste los contenidos del bloque, pregúntate lo siguiente: n Leí todo el contenido del bloque? n Cuando lo hice comprendí todas las palabras? Si no lo hice, busqué el significado de las palabras que no entendí? Volví a releer el texto hasta que lo comprendí? n Puedo distinguir entre cómo se vivió en el siglo pasado y cómo se vive en el actual, según mi propia concepción? n Puedo identificar algunas ventajas de vivir en el siglo pasado? Anótalas. n Puedo identificar algunas desventajas de vivir en el siglo pasado? Anótalas. n Puedo identificar algunas ventajas de vivir en el siglo presente? Anótalas. n Puedo identificar algunas desventajas de vivir en el siglo presente? Anótalas. 5

17 BLOQUE 1 Reconoces a la Química como una herramienta para la vida 1.1 La Química Actualmente la Química tiene gran relevancia por el avance científico y tecnológico que tienen las civilizaciones presentes, y se ha convertido en una ciencia muy común entre los individuos. Prácticamente todo lo que nos rodea está constituido de sustancias químicas: nuestros alimentos, nuestra ropa, los edificios y casas en donde vivimos, las calles por donde transitamos, los vehículos; nuestro cuerpo mismo también está constituido de elementos químicos. Por medio de la Química, la Medicina ha logrado avances notables, como la erradicación de muchas enfermedades mortales; por ejemplo, la polio, tifoidea y difteria, entre otras. Aunque la gente no haya realizado estudios específicos sobre esta materia, es frecuente escuchar el siguiente comentario respecto a dos personas que se atraen: hay química entre las dos ; también Para tu reflexión Cuánto vale el cuerpo humano? En términos puramente químicos, la vida humana cuesta cerca de veinte pesos. La razón es muy simple: cerca de tres cuartas partes de nuestra masa es agua (y ésta casi siempre es barata); el resto, fundamentalmente carbono, oxígeno e hidrógeno (se presenta gratis en el aire). En pequeñas cantidades tenemos nitrógeno y fósforo, y todavía en menor proporción hierro, sodio, potasio, etc. En conclusión: como dice la canción la vida no vale nada Figura 1.1 Es importante someternos a análisis clínicos para conocer nuestro estado de salud. Figura 1.2 La Química ha permitido un notable avance en el desarrollo de la civilización actual, pero también debemos cuidar nuestro medio ambiente. es común: toma dos litros diarios de H 2 O y tendrás una buena salud. Asimismo, se oye hablar con frecuencia, en todos los ámbitos del calentamiento global con sus graves consecuencias ambientales. También en relación con la Química y ante el incremento del número de metrópolis, como el Distrito Federal, Guadalajara y Monterrey, la palabra esmog es muy común. Por otra parte, la amplia variedad de productos derivados de esta ciencia son empleados diariamente en la casa, el trabajo, la escuela y otros lugares. Efectivamente, la Química se relaciona directamente con éstos y otros procesos, situaciones y productos, de ahí la importancia de conocer más de ella. La Química es la ciencia que trata de la naturaleza y composición de la materia y de los cambios que ésta experimenta; su estudio es muy importante para el ser humano, ya que se aplica a todo lo que le rodea, por ejemplo, en el lápiz que utilizas, en las páginas de este libro o de tu cuaderno, en el bolígrafo, en el perfume o en la loción que usas; en la ropa que te pones, en los zapatos, en los alimentos que ingieres; en fin, en todo. Utilizamos todos nuestros sentidos (vista, oído, gusto, olfato y tacto) para percibir los objetos que tenemos a nuestro alcance, y la Química interviene en los cambios internos y externos que se realizan en nuestro organismo y a nuestro alrededor para percibirlos. El hombre se beneficia de las aplicaciones prácticas de la Química, ya que la vida moderna no sería tan cómoda si no tuviéramos la tecnología que proporciona esta ciencia. Por ejemplo, junto con los físicos (en el diseño de circuitos electrónicos), los químicos han desarrollado nuevos materiales, como los plásticos de alta durabilidad, que permiten un amplio uso de los teléfonos celulares, computadoras personales (laptop), entre otros o los radiotransmisores que han revolucionado la comunicación, como los televisores portátiles, las cámaras digitales, etcétera. 6

18 Grupo Editorial Patria Aplica lo que sabes Para quienes viven en la Ciudad de México, una de las urbes más grandes del mundo y la más contaminada respecto al aire, es indudable que las soluciones a los problemas de contaminación tienen que dividirse de acuerdo con la asignación de responsabilidades y, desde luego, fijando tiempos para cumplir éstas. La principal fuente de contaminación del aire de la Ciudad de México, es la combustión no controlada en los motores de los automóviles particulares y los camiones de carga. Los controles de esas emisiones se realizan actualmente en los llamados verificentros. Sin embargo, estas medidas no han sido ni serán aceptables en tanto las autoridades las impongan y los usuarios acepten esa imposición. Modernizar al parque vehicular en la ciudad es otra opción para disminuir la combustión no controlada; sin embargo, está llevándose a cabo de manera pausada por varios factores, entre los que destaca el bajo poder adquisitivo de la mayoría de la población, que imposibilita prácticamente la adquisición de un auto nuevo. Además, los combustibles que utilizamos no son óptimos para una buena combustión, por ello proponemos algunas soluciones posibles: 1. Reducir en un lapso de 20 años el uso de motores que funcionen con gasolina; se sugiere el uso de la electricidad o combustibles alternos no contaminantes, como el gas natural o el hidrógeno. 2. Control estricto o relocalización de plantas industriales y negocios que emitan gran cantidad de contaminantes. 3. Evitar el uso de aerosoles o productos que contengan o desprendan hidrocarburos. Actividad n Con base en lo que acabas de leer, investiga junto con tus compañeros, cuáles son las principales fuentes de contaminación del aire, agua y áreas verdes de tu estado, comunidad, municipio o colonia; menciona algunos métodos de prevención que estarías dispuesto a realizar como iniciativa para disminuir este problema que afecta al medio ambiente. n Elabora junto con tus compañeros un collage de todas las ideas que surgieron en el grupo, para exponerlo a la comunidad estudiantil de tu escuela y empezar a concientizar y sensibilizar sobre la importancia que tiene llevar a cabo medidas para prevenir y disminuir este grave problema: la contaminación ambiental. Actividad de aprendizaje Investiga los olores más comunes que se pueden percibir al visitar los siguientes lugares. De estos olores predominantes anota los productos que los generan y sus posibles elementos químicos, por ejemplo: a) Alberca Agua y cloro (H 2 O y Cl) b) Tienda de abarrotes c) Reparadora de calzado d) Lavandería e) Tintorería f ) Hospital g) Consultorio dental h) Mercado i) Cine 7

19 BLOQUE 1 Reconoces a la Química como una herramienta para la vida Figura 1.3 La aplicación de la Química en diversos materiales, ha provocado la aparición de nuevos y mejores productos para el hombre. n Surgimiento: Arthur D. Little propuso el concepto de operación unitaria ( ) y organizó la disciplina por primera vez (Walker, Lewis y Mc Adams, 1923). n Nacimiento y desarrollo: se propone el concepto de fenómenos de transporte de materia, energía y cantidad de movimiento en la década de 1950 (Bird, Stewart y Lighfoot, 1960). Dichos fenómenos sirven como base científica común a las operaciones unitarias (destilación, fluidización, agitación, mezclado, absorción, flujos, intercambio iónico). Los polímeros (compuestos químicos derivados del petróleo) han revolucionado la industria automotriz; por ejemplo, la carrocería de los automóviles es una resina de poliéster (un ejemplo de polímero) reforzada con fibra de vidrio y que lleva pintura aplicada con bicapa, que la hace lucir más atractiva. En el interior, algunos automóviles tienen accesorios que sirven para reproducir discos compactos, MP3 y MP4, ver una película (DVD) con gran fidelidad en imagen y sonido; también cuentan con diversos accesorios de seguridad y que proporcionan comodidad. Por otro lado, en la industria de la construcción hay una gran variedad de materiales nuevos, más económicos, resistentes y vistosos, que permiten dar mejores acabados y ahorros económicos, al reducirse el tiempo de construcción. El uso de las tecnologías actuales, como internet, han favorecido el desarrollo tecnológico de la humanidad, al acercar a los diversos investigadores de todo el mundo a compartir sus descubrimientos con otros colegas, con el consecuente ahorro de dinero, esfuerzo y tiempo, ya que el uso de la computadora es indispensable en su trabajo cotidiano, en la solución de los problemas y retos que enfrenta la humanidad. La ingeniería química llegó a su madurez como ciencia de los procesos de transformación física y química de la materia por medio de las siguientes etapas: Aplica lo que sabes La Química es la ciencia que se encarga de estudiar los cambios experimentados en la composición de la materia; explica esta definición mediante varios ejemplos de los procesos químicos que se dan en la vida cotidiana, argumenta tus respuestas con base en la relación que existe entre lo teórico y lo práctico. Atributos: 1. Establecer la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos. 2. Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas. Actividad 1. Completa el siguiente cuadro, indicando en qué o para qué utilizas los siguientes objetos o sustancias. Anota si son materiales naturales o sintéticos y comenta la importancia que tiene dar buen uso a cada uno de ellos. Especificar qué atributos se desarrollan. Objeto o sustancia Utilidad Tipo de material Zapatos de playa Aceite de maíz Bolsa de hule Figura 1.4 El químico maneja diversos instrumentos de medición. 8

20 Grupo Editorial Patria Aplica lo que sabes Tela de nylon Penicilina Azúcar Botella de agua 1. Anota seis productos químicos que encuentres en tu casa (de preferencia en la cocina), investiga su utilidad y busca en la etiqueta las sustancias que contengan. La importancia y la relación que tienen estos productos de tal manera que puedas identificar en tu vida cotidiana. Producto 1. Utilidad Sustancia que contiene Por otra parte, el uso de nuevas tecnologías nos posibilita preservar nuestro ambiente al reciclar los materiales de manera adecuada. Por ejemplo, la mayoría de los artículos nuevos vienen empaquetados en bolsas de plástico o de unicel y los refrescos se distribuyen en botellas de plástico y aluminio, lo cual crea el problema de muchos desechos que es necesario reutilizar. En la actualidad podemos referirnos a los químicos como especialistas por el área en que laboran. Por ejemplo: químico nuclear, químico ambiental, químico farmacéutico, bioquímico, fisicoquímico, químico en alimentos, químico agroquímico, químico orgánico, etcétera. Figura 1.5 Es necesario reciclar una serie de productos comerciales como las bebidas que vienen en envases de plástico o de aluminio. Figura 1.6 Es muy importante la protección de suelos agrícolas mediante la aplicación de fertilizantes que actúan sobre el ph (potencial de hidrógeno) del suelo. 9

21 BLOQUE 1 Reconoces a la Química como una herramienta para la vida Clasificación tradicional de las ciencias naturales y relación de la Química con otras ciencias MATEMÁTICAS Requieren Ciencias naturales Inmunología Toxicología Farmacología Bioquímica Patología Quinta médica Ciencias físicas Estudio de la materia y energía Ciencias biológicas Estudio de los organismos vivos Geología Astronomía Física Química Botánica Plantas Zoología Animales Geoquímica Cosmoquímica Fisicoquímica Biología celular Genética Ecología Funciones y estructura de la célula Herencia Medio ambiente Analítica Física Orgánica Inorgánica Microbiología Organismos microscópicos Fisiología Funciones Determinación de la estructura y composición Procesos físicos básicos de la Química Compuestos de carbono Los demás compuestos 10

22 Grupo Editorial Patria Fuego (Ángel) Calor Seco Aire (Ave) Tierra (Bestia) Húmedo Frío Figura 1.7 La Química utiliza los análisis cualitativo y cuantitativo para estudiar los fenómenos o reacciones. Agua (Dragón) Figura 1.8 Los cuatro elementos de los filósofos griegos: aire, agua, tierra y fuego. n Organización: a partir de 1937 surge la rama denominada ingeniería de las reacciones químicas, dedicada al estudio y al diseño de los equipos en los que se efectúan las reacciones químicas, es decir, de los reactores químicos. n Fase final: el tratamiento global o macroscópico, mejor dicho, la ingeniería de sistemas y la modelación sistémica asociada (década de 1960). n Como se puede observar, el campo de estudio de la Química es tan amplio que es imposible para una persona conocer todo cuanto se ha descubierto en esta ciencia, por lo que han surgido divisiones o especializaciones, como: la química general o descriptiva; la fisicoquímica, que trata de la composición y organización de la materia mineral; la química orgánica, que estudia los compuestos del carbono, ya sean naturales o de los seres vivos, y los sintéticos o producidos artificialmente; la química analítica, que se ocupa del reconocimiento y cuantificación de los materiales que constituyen cualquier objeto; la bioquímica, que estudia todas las sustancias que intervienen en los procesos vitales, constituidas por aminoácidos, proteínas, vitaminas, lípidos, etc. Asimismo, la ingeniería química estudia los procesos industriales existentes para mejorarlos tecnológicamente y hacerlos más rentables, entre otras muchas especializaciones. Grandes momentos en el desarrollo de la Química Grecia Tales de Mileto ( a. C.). Es considerado como el primer teórico que se preocupó por la transformación de una sustancia en otra, se planteó las siguientes preguntas: si una piedra azul se convirtiera en cobre rojo, la naturaleza de la sustancia sería de piedra, de metal o de ambas? Se planteó también la posibilidad de que una sustancia se transformara en otra por medio de un número definido de pasos; pero éstos sólo eran aspectos de una materia básica o elemento, ya que para él este elemento era el agua. En el párrafo anterior se enuncia en forma breve uno de los pensamientos más profundos que ha tenido el género humano; tal vez sea falso y obsoleto, pero fue el primer pensamiento sobre el origen básico de toda la materia. Anaxímenes de Mileto ( a. C.). Postuló que el aire podía ser comprimido y originar una materia sólida; por tanto, el elemento básico podía ser el aire. Heráclito de Efeso ( a. C.). Propuso que si el cambio era lo que caracterizaba al Universo, se debería buscar un elemento en el que el cambio fuera lo más notable y, por tanto, el elemento básico sería el fuego. Empédocles ( a. C.). Se planteó, por qué sólo un elemento básico? Podían ser varios: agua, aire, fuego y añadió tierra. Aristóteles ( a. C.). Aceptó la doctrina de los cuatro elementos básicos, pero los concibió como pares de propiedades opuestas: frío-calor, humedad-sequedad. Las propiedades opuestas no se pueden combinar entre sí. Debido a lo anterior, se forman cuatro parejas distintas que darán origen a un elemento: calor y sequedad dan lugar al fuego; calor y humedad, al aire; frío y humedad, al agua, frío y sequedad, a la tierra. Además, asignó como quinto elemento al cielo, el éter (resplandecer), el cual era un elemento perfecto, ya que lo observaba inalterado. Los cuatro elementos anteriores eran imperfectos. Figura 1.9 Aristóteles. Leucipo ( a. C.). Planteó que la materia por muy pequeña que sea, siempre es capaz de dividirse en trozos cada vez más pequeños hasta que ya no se pueda dividir. 11

23 BLOQUE 1 Reconoces a la Química como una herramienta para la vida Figura 1.10 Leucipo. Figura 1.11 Demócrito. Figura 1.13 Ptolomeo I y Ptolomeo II. Demócrito ( a. C.). Llamó átomos (sin división) a las partículas de menor tamaño posible. Además, supuso que los átomos de cada elemento eran diferentes en tamaño y forma, razón por la cual le asignaba a los elementos propiedades distintas y también que una sustancia podía transformarse en otra alterando la naturaleza de la mezcla. Las ideas de Demócrito no fueron aceptadas en su tiempo, pero sí dos mil años después; su teoría perduró en parte en los poemas de Epicuro ( a. C.) y Lucrecio Caro (99-55 a. C.). Es interesante mencionar la renovación que estos pensamientos implican y resaltar que los filósofos griegos se basaban en la observación y no en la experimentación para emitir sus teorías. Cultura helénica Figura 1.12 Epícuro. Ptolomeo I ( a. C.) y Ptolomeo II ( a. C.). Fundaron en Alejandría el templo dedicado a las musas, que derivó en lo que hoy se conoce como museo, el cual era propiamente un lugar dedicado a la investigación de las ciencias y donde también se coleccionaban objetos de arte, así como una biblioteca. Al unirse las culturas egipcia (experimental) y griega (teórica), los jonios aceptaron el misticismo en la ciencia, fenómeno que retrasó el avance del conocimiento. El arte de khemeia apareció estrechamente relacionado con la religión, y la gente común asociaba extraños poderes a aquellos que practicaban estas artes (magos); esto provocó el surgimiento de un lenguaje escrito en forma de clave para la práctica de la khemeia. En esta época ya se conocían siete metales y los siete cuerpos errantes en el cielo (cuerpos celestes). De esta manera se asocia a cada metal un cuerpo celeste: oro-sol; plata-luna; cobre-venus; mercurio-mercurio; hierro-marte; estaño-júpiter; plomo-saturno. Estos lenguajes confusos y la actitud mágica acerca del estudio de la materia retardaron el avance del conocimiento. Bolos de Mendes (pseudodemócrito; 200 a. C.). Planteó la transmutación de un metal en otro para obtener oro. Con esta búsqueda se descubrieron aleaciones como la unión de cobre y zinc, que da por resultado el latón, que es dorado. Dominación romana (100 a. C.) Con la dominación romana entra en decadencia el arte de khemeia y el conocimiento griego. Zósimo (300). Escribió una enciclopedia de 28 volúmenes donde describe al arsénico y al acetato de plomo como sustancias venenosas con sabor dulce. Figura 1.14 Zósimo. 12

24 Grupo Editorial Patria Diocleciano ( ). Emperador romano que temeroso ante la posibilidad de que los enemigos pudieran obtener oro por medios baratos y pusieran en peligro su imperio, ordenó quemar todo libro sobre khemeia. En esta época se perdió mucha información porque la biblioteca de Alejandría resultó seriamente mutilada a causa de los motines con los cristianos; fue un nuevo retraso al avance del conocimiento. Dominación árabe Figura 1.15 Diocleciano. Siglo vii. En esta época surgió el término alquimia y se mantuvo así hasta Se enriqueció el vocabulario químico con términos como: álcali, alcohol, nafta, circón, etcétera. Jabir Ihn- Hayyan (conocido en Europa como Geber, ). Descubrió el cloruro de amonio, preparó el albayalde (carbonato de plomo), obtuvo el ácido acético por destilación del vinagre y preparó ácido nítrico. Aunque su fama la obtuvo por los estudios en transmutación de los metales, se debe considerar a Geber como el primer descubridor de los ácidos. Él creía que la mezcla mercurio-azufre produciría oro, a través de una sustancia seca y activadora, llamada al-iksir (elixir) y que en Europa se denominó piedra filosofal. En los siglos siguientes se desarrollaron dos aspectos fundamentales de la alquimia: el estudio de los minerales con la finalidad de obtener oro y el aspecto médico, cuyo objetivo era encontrar la panacea (remedio o solución para cualquier mal). Al Razi (Rhazes, ). Inventó los emplastos para sellar huesos; en aquella época su seguidor Avicena fue el médico más importante. Figura 1.18 Alberto Magno. Figura 1.19 Roger Bacon. Después de tres siglos del liderazgo científico de los árabes, aparecieron los turcos y los mongoles. Sus victorias sobre el mundo islámico hicieron que ese liderazgo pasara a Europa. La herencia y culturas dejadas en la España árabe, que se tradujo al latín, despertaron el interés de las culturas de Occidente. Alberto Magno ( ) fue el primer alquimista europeo que descubrió el arsénico, aunque en forma impura. La Química en la Edad Media Roger Bacon ( ). Mostró interés en la idea de incorporar las matemáticas a la ciencia, idea que fue rechazada, y fue quien por primera vez inventó la pólvora negra, la cual causó estragos en los castillos medievales. Figura 1.16 Jabir Ihn-Hayyan, Geber. Figura 1.17 Al Razi, Rhazes. Seudónimo Geber (1300). Firmó sus trabajos con el nombre del árabe que descubrió el ácido acético. Este segundo Geber descubrió el ácido sulfúrico y el ácido nítrico fuerte, a los que denominó ácidos minerales. Su descubrimiento ha sido más importante para la humanidad que la transmutación de otros metales en oro; pero el hombre no lo consideró así y siguió en su persecución por el oro. Papa Juan XXII ( ). Declaró que la alquimia era un anatema y el conocimiento químico sufrió un tercer decaimiento. Desde entonces los alquimistas trabajaron a escondidas y en sus escritos emplearon símbolos más confusos. En este siglo se descubrió la brújula. 13

25 BLOQUE 1 Reconoces a la Química como una herramienta para la vida Figura 1.20 Seudónimo Geber. Figura 1.21 Los alquimistas, grandes precursores de la Química moderna. Figura 1.22 Libarius. Figura 1.23 Galileo Galilei. Caída del Imperio Bizantino (1453). En esta época los griegos recuperaron Constantinopla y reconstruyeron sus bibliotecas. Época moderna Libarius ( ). Publicó el primer texto de Química en 1597 y descubrió por primera vez el ácido clorhídrico, el tetracloruro de estaño, el sulfato de amonio y preparó el agua regia. Después tuvieron lugar los descubrimientos aislados, por ejemplo, el sulfato de sodio. En el siglo xvii la alquimia entró en una etapa de decadencia y resurgió en el siglo xviii como la ciencia que hoy se conoce como Química. En ese momento la realidad económica necesitaba del aprovechamiento de los minerales y de las medicinas, y no de la irracional búsqueda del oro. En los siglos xvi y xvii surgieron figuras como Galileo y Newton que aportaron bases para el enriquecimiento del conocimiento y la importancia de la medida y la cuantificación. El estudio de los gases la realizó el italiano Torricelli ( ); el alemán Gwerike ( ); y el irlandés Boyle ( ), quien de todos ellos fue el único químico. Los experimentos de Boyle sobre los gases mostraban un panorama halagador para los atomistas de esa época, pero Boyle aún creía en la transmutación de los metales. En 1680 preparó fósforo a partir de orina, pero este descubrimiento fue reconocido hasta doce años después de Brand. En esta época se originó la teoría del flogisto y, en 1700, Salavery construyó la máquina de vapor. En el siglo xviii, la proliferación de las aportaciones en la Química surgió como una respuesta al reconocimiento como ciencia que de ella se estableció. Se descubrieron los siguientes gases: hidrógeno por Cavendish, oxígeno por Lavoisier, nitrógeno por Rutherford y Lavoisier, dióxido de carbono por Priestley; se aislaron nuevos metales; níquel, manganeso y molibdeno; Lavoisier estableció la ley de la conservación de las masas. Figura 1.24 Isaac Newton. Figura 1.25 Torricelli. Figura 1.26 Boyle. Figura 1.27 Máquina de vapor. 14

26 Grupo Editorial Patria En el aspecto de la química de productos orgánicos se descubrieron nuevos ácidos; por ejemplo, el tartárico y el cítrico. Dalton emitió su teoría atómica sobre la combinación de átomos para formar moléculas. Figura 1.28 Cavendish. Para tu reflexión Figura 1.29 Lavoisier. El agua es la sustancia fundamental para sobrevivir a lo largo de la historia y día a día con el crecimiento de la población se hace indispensable su uso racionado y el no contaminarla, por lo que a continuación se sugiere tomar algunas medidas preventivas. n Mantener cerrados y con tapa los depósitos de agua. n Asear por lo menos una o dos veces al año las cisternas, así como los tinacos cuando estén conectados a la cisterna. n No arrojar desechos de ningún tipo a los depósitos o cubetas de agua. n Mantener limpios y aseados los bebederos. n Evitar las fugas de agua manteniendo llaves y muebles sanitarios en buen estado. n Lavar la ropa y los trastos con jabones biodegradables. n Utilizar detergente biodegradable y sólo usar la cantidad necesaria para así evitar grandes cantidades de espuma. n No arrojar al drenaje solventes o residuos de aceites, petróleo, etcétera; tampoco tirarlo al suelo. n Usar el cloro necesario para lavar la ropa. n No arrojar basura en el drenaje. Figura 1.30 Rutherford. Siglos xix y xx El siglo xix es el siglo de la explosión en la química del carbono, Whöler sintetizó la urea, Vanthall estableció que el átomo de carbono es tetraédrico y el aislamiento y sín- tesis de colorantes cobró gran importancia. Kekulé estableció la fórmula del benceno. A principios del siglo xx, Werner estudió la química de los compuestos metálicos y originó la química de coordinación. La química de explosivos se desarrolló notablemente a causa de las primera y segunda guerras mundiales. Se aislaron antibióticos y en los últimos 40 años el aspecto de investigación en química se tornó inmenso. 1.2 El método científico y sus aplicaciones La Química se desarrolla día tras día e interviene en todos los aspectos de nuestro acontecer, hasta el momento mismo de la muerte. Al observar algún objeto detenidamente podemos preguntarnos: de qué material está hecho? A quién se le ocurrió fabricarlo? Con qué motivo? En qué momento lo hizo?, etc. La solución de éstas y otras interrogantes ha proporcionado fuentes de sabiduría y entendimiento para que la Química haya logrado grandes avances, en combinación con otras disciplinas (electrónica, mecánica, biología, computación, medicina, etc.), las cuales han dado como resultado que el hombre goce de una vida más cómoda. En la Antigüedad, la Química sólo utilizaba sus hallazgos empíricos sin entender el principio de estas observaciones. El triunfo del método experimental en el siglo xix y la racionalización científica de él en el siglo xx originaron la investigación en química de acuerdo con el método científico. La expresión método científico se utiliza con diferentes significados y, a menudo, se abusa de ella para justificar una determinada posición personal o social con relativo desconocimiento de la complejidad del concepto. Como su propio nombre indica, representa la metodología que define y diferencia el conocimiento de la ciencia de otros tipos de conocimientos. 15

27 BLOQUE 1 Reconoces a la Química como una herramienta para la vida La filosofía de la ciencia crea el método científico para excluir todo aquello que tiene naturaleza subjetiva y, por lo tanto, no es susceptible de formar parte de lo que denomina conocimiento científico. En última instancia, aquello que es aceptado por el sentido común propiamente dicho y, por ello, adquiere carácter de generalmente aceptado por la comunidad científica y la sociedad. El método deductivo, el método inductivo y el método hipotético-deductivo son los tres métodos científicos a que se refiere la denominación genérica de método científico. Figura 1.31 A través de la Química se han logrado grandes avances que proporcionan salud y bienestar a la humanidad. La primera característica del método científico es su naturaleza convencional; servir de marco de generación del conocimiento objetivo. Por ello existen múltiples características en función de la perspectiva con que se clasifiquen, se estudien e incluso se denominen. Lo primero que llama la atención es el hecho de que los dos primeros tienen un nombre difícil de distinguir, pues en el ámbito lingüístico, pueden representar un solo concepto con dos manifestaciones: razonamiento en una dirección o en la contraria, de lo general a lo particular o viceversa. El problema se deriva de la dificultad conceptual de separar un método científico de otro de una forma clara por tener elementos comunes; evidentemente los términos elegidos no ayudan a retener en la memoria estos dos conceptos de método científico. Tampoco ayuda mucho la denominación del tercer método científico. Una característica de ambos métodos es que pueden ir de lo general a lo particular o viceversa, en un sentido o en el inverso. Ambos utilizan la lógica y llegan a una conclusión. En última instancia, siempre tienen elementos filosóficos subyacentes. Ambos suelen ser susceptibles de contrastación empírica. Aunque el método deductivo es más propio de las ciencias formales y el inductivo de las ciencias empíricas, nada impide la aplicación indistinta de un método científico u otro a una teoría concreta. La investigación en Química se lleva a cabo utilizando el método científico, que puede resumirse brevemente en los siguientes pasos o etapas: a) Observación del fenómeno b) Planteamiento del problema c) Formulación de la hipótesis d) Planteamiento de los objetivos e) Diseño del experimento f) Obtención de resultados g) Conclusiones Identificación de problemas y formulación de preguntas de carácter científico El razonamiento constituye un estricto proceso de deducción, proceso del que están excluidos la imaginación y el pensamiento intuitivo. La identificación del problema es la pregunta científica por resolver, se expresa mejor con una pregunta abierta. Las expresiones del pensamiento constituyen preguntas y problemas por resolver, o bien, respuestas y soluciones a las indagaciones realizadas. En este sentido, el curso del conocimiento científico consiste en una sucesión ininterrumpida de problemas que surgen a partir de los resultados obtenidos en las investigaciones anteriores y se resuelven mediante el razonamiento y la experimentación. Para encontrar la solución de esos problemas, la actividad científica ha establecido procedimientos adecuados y establece continuamente otros nuevos. Entre ellos se encuentran los experimentos que nos informan, exacta y completamente como es posible, acerca de los procesos naturales y sociales, lo mismo que sobre sus conexiones activas y su mutua causalidad. También se encuentran las teorías, que nos permiten reunir los resultados de los experimentos en una explicación común, necesaria y suficiente. Por ultimo, tenemos la aplicación de dichas teorías para intervenir, de manera directa y concreta, en el comportamiento de los procesos de la sociedad y de la naturaleza, haciendo que produzcan la satisfacción de las necesidades humanas y resolviendo prácticamente, de esta manera, los problemas que impulsan la propia actividad científica. Figura 1.32 Los científicos trabajan arduamente en el descubrimiento de nuevas sustancias para el bienestar del hombre; por ejemplo, nuevos medicamentos. En términos generales, por problema entendemos cualquier dificultad que no se puede resolver de manera automática, 16

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