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Luis Miguel Trejo Candelas /Ricardo Manuel Antonio Estrada Ramírez
Química 2
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Praxis es una serie diseñada por el Departamento de Proyectos Educativos de Ediciones Castillo.
Autores: D.R. © 2017 Luis Miguel Trejo Candelas y Ricardo Manuel Antonio Estrada Ramírez
Dirección editorial: Tania Carreño KingGerente de Bachillerato: Víctor Hugo Lara GranadosGerente de Arte y diseño: Cynthia Valdespino Sierra
Edición: Gerardo González NúñezAsistencia editorial: Alba Flores VázquezRevisión técnica pedagógica: Teresa Elizabeth Delgado HerreraCorrección de estilo: Sergio Gaspar Mosqueda
Coordinación diseño: Rafael Tapia Coordinación iconográfica: Teresa Leyva NavaCoordinación operaciones: Gabriela Rodríguez CruzArte y diseño: Gustavo HernándezDiagramación: Abraham Menes NúñezIconografía: David Silva y Carolina FernándezPortada: ShutterstockIlustraciones: David SilvaFotografía: Shutterstock, Cuartooscuro, iStock
Producción: Carlos Olvera
Primera edición: octubre 2017Química 2. Praxis
D.R. © 2017 Ediciones Castillo, S.A. de C.V.Castillo ® es una marca registradaEdiciones Castillo forma parte de Macmillan Education
Insurgentes Sur, 1886. Colonia FloridaDelegación Álvaro Obregón. C.P. 01030México, D.F. Teléfono: (55) 5128-1350Lada sin costo: 01 800 536-17777www.edicionescastillo.com
ISBN: En trámite
Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Registro núm. 3304
Prohibida la reproducción o transmisión parcial o total de esta obra por cualquier medio o método o en cualquier forma electrónica o mecánica, incluso fotocopia o sistema para recuperar información,sin permiso escrito del editor.
Impreso en México/Printed in México
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Presentación 5
Guía de uso 6
Competencias genéricas del egresado
de la Educación Media Superior 8
Competencias disciplinares básicas
del campo de las Ciencias Experimentales 8
Estequiometría 9Mol 19
Masa molar 21Volumen molar 22
Ley de la conservación de la materia 23Relaciones estequiométricas 23
Reactivo limitante y rendimiento de reacción 28
Sistemas dispersos 37Materia 39
Sustancias puras: elementos y compuestos 43Mezclas: homogénea y heterogénea 49
Sistemas dispersos 51Disolución 51Coloides 54Suspensión 57
Concentración de las disoluciones 58Cualitativas: diluídas y concentradas 58Cuantitativas: molar, porcentual y ppm 58
Métodos de separación 63Decantación 64Filtración 65Evaporación 65Cristalización 66Centrifugación 66Imantación 67Tamizado 67Sublimación 67Destilación 67Cromatografía 68
Propiedades de ácidos y bases 70Características 70pH 75
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Índice
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Compuestos del carbono
y macromoléculas 77Carbono 79
Configuración electrónica 80Geometría molecular 81Hibridación 82
Cadenas 84Abiertas 84Cerradas 85
Fórmulas 86Condensada (Molecular) 86Semidesarrollada 87Desarrollada 88
Isomería 90Cadena 90Posición 91 Función 93
Hidrocarburos 94Nomenclatura 95
Propiedades físicas de hidrocarburos 98Estado físico 98Solubilidad 99Propiedades químicas de hidrocarburos 100
Combustión 100Grupos funcionales 101
Nomenclatura UIQPA 102Macromoléculas naturales 107
Carbohidratos 108Lípidos 110Proteínas 112
Macromoléculas sintéticas 114
Fuentes de consulta 117
3
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El presente material es una muestra del libro del alumno, en el cual
hemos seleccionado algunas de las partes que lo integran, con el fi n
de darle a conocer la propuesta editorial y la estructura didáctica del
libro de Química 2 de la serie Praxis.
Praxis es una propuesta novedosa y atractiva en un formato reversible,
fue concebida como textos preuniversitarios y de obra de consulta que se
ajustan a las diferentes necesidades de la enseñanza y del aprendizaje del
bachillerato. Las dos partes que lo conforman, teórico y cuaderno de tra-
bajo, tienen funciones específi cas.
En el apartado teórico se encuentra el desarrollo conceptual y procedi-
mental de la información, es decir, la exposición de los contenidos temáticos
de la asignatura; los cuales son tratados con rigor científi co, técnico y huma-
nístico. Los contenidos se abordan con profundidad y con un lenguaje claro,
accesible y directo, con la fi nalidad de que la información sea comprensible
y versátil. La estructura y la forma de aproximarse a los temas están dise-
ñadas para que los estudiantes desarrollen sus capacidades crítica, analítica
y refl exiva, y construyan cabalmente los conocimientos que compromete
la asignatura. También se brinda información adicional y actualizada den-
tro de las secciones complementarias, ubicadas al pie de algunas páginas.
Asimismo, este apartado cuenta con indicadores que sugieren el momento
de dar la vuelta al libro y abordar los contenidos de manera práctica.
En el cuaderno de trabajo se encuentran evaluaciones diagnósticas,
ejercicios, actividades, actividades de applicación, actividades para el desa-
rrollo de habilidades socioemocionales (hse), actividades experimentales,
actividades de integración y evaluaciones fi nales. Este apartado tiene la
función de impulsar el desarrollo de las habilidades de pensamiento y las
capacidades para la vida de los estudiantes, ya que esta propuesta les per-
mite trabajar de manera autónoma o en compañía del profesor.
Tenemos presente el hecho de que el conocimiento y el desarrollo de
las habilidades no son aspectos aislados, el propósito de esta obra es que los
alumnos participen en todo momento en su propia experiencia de aprendi-
zaje, se sientan motivados al estudiar la asignatura y tengan la disposición
de aprender.
Presentación
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Apartado teórico
Entrada de bloqueAdemás del título del bloque, encontrarás una imagen que representa los contenidos temáticos.
Indicadores de práctica Recomendaciones de evaluaciones,
ejercicios, actividades, actividades HSE, actividades de extensión y prácticas
de laboratorio que podrás realizar en el cuaderno de trabajo.
DestacadosIdeas o frases importantes destacadas entre corchetes, las cuales tienen la función de sintetizar la información.
TICSugerencias que promueven
el desarrollo y el uso de habilidades digitales.
Información importanteInformación adicional, anécdotas, datos numéricos, estadísticas, conclusiones, datos curiosos y novedades de la ciencia.
Averigua másSugerencias para consultar
documentos, revistas, películas, pinturas y música
con temas que complementan los contenidos.
IntroducciónResumen que integra las ideas
principales del bloque; en él encontrarás conceptos o palabras
clave que se abordan en el desarrollo de los contenidos.
Desarrollo de contenidos Con información actualizada y un manejo sistemático y riguroso se desarrollan los contenidos temáticos con alto grado de profundidad y exhaustividad.
Guía de uso
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Cuaderno de trabajo
ApplicaciónActividades que promueven el uso de recursos y herramientas tecnológicas para el aprendizaje, como: videos, aplicaciones, lenguajes de programación, software, simuladores, entre otros, que te permiten generar una experiencia de aprendizaje, un producto o una evidencia que podrás socializar con la comunidad escolar.
Actividad experimentalActividad de laboratorio o de campo que busca familiarizarte con fenómenos, contrastar hipótesis e investigar sobre un tema concreto.
Actividad de integración
Al terminar cada bloque encontrarás una actividad
que pone en práctica los conocimientos y las
habilidades que adquiriste a lo largo del bloque, con el fin de que elabores un producto
final, el cual podrás evaluar con una lista de verificación.
Evaluación finalEjercicios, problemas o situaciones que evalúan los conocimientos y las habilidades que has adquirido a lo largo del bloque.
Evaluación diagnósticaEjercicios, actividades o situaciones que te permiten recuperar los conocimientos y las habilidades que ya dominas e identificar aquellos en los que tienes que trabajar.
Actividad Estrategia didáctica
contextualizada que te permite generar una
experiencia de aprendizaje (dominio de una habilidad, procedimiento concreto,
comprensión de conceptos o estrategia de solución).
Actividad HSEActividad que promueve el
desarrollo de habilidades socioemocionales a
través de situaciones, casos, dilemas morales o problemas relacionados
con los contenidos y con aspectos intrapersonales
e interpersonales.
EjercicioTe permite reafirmar o
consolidar conocimientos, procedimientos o habilidades
que luego podrás utilizar en un contexto más amplio.
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A continuación se enlistan las competencias genéricas que se trabajan en
el libro de Química 2.
Química 2
Competencias genéricas B1 B2 B3
1. Se conoce y valora a sí mismo y aborda problemas y retos teniendo en cuenta los objetivos que persigue.
X
3. Elige y practica estilos de vida saludables. X X
4. Escucha, interpreta y emite mensajes pertinentes en distintos contextos mediante la utilización de medios, códigos y herramientas apropiados.
X
5. Desarrolla innovaciones y propone soluciones a problemas a partir de métodos establecidos. X X
8. Participa y colabora de manera efectiva en equipos diversos. X X
11. Contribuye al desarrollo sustentable de manera crítica, con acciones responsables. X
A continuación se mencionan las competencias disciplinares básicas
del campo de las Ciencias Experimentales que se trabajan en el libro de
Química 2.
Química 2
Competencias disciplinares básicas B1 B2 B3
2. Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas.
X
3. Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas.
X X
4. Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes.
X X X
5. Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones.
X
6. Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas.
X
7. Hace explícitas las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos.
X X
10. Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos.
X
11. Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de impacto ambiental.
X 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
Competencias genéricas del egresado de la Educación Media Superior
Competencias disciplinares básicas del campo de las Ciencias Experimentales
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Sistemas dispersos
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Destilación
Homogénea Heterogénea
Molar Concentrada
Características
Cualitativa
Concentración
Disolución
Sustancia
Mezcla
MaterialesComponentes
Elemento Compuesto
Suspensión Coloide
Cuantitativa
% ppm Diluida
pH
Decantación
Centrifugación
CristalizaciónFiltración
Tamizado
Evaporación
Cromatografía
Imantación
Sublimación
Métodos de separación
Sistemas dispersos
Ácida Básica
pueden ser
tienen
forman
tienen
Si tienen varios es
puede ser
tienen
puede ser
como
pueden ser
puede ser
puede ser
puede ser
Si tienen uno es
IntroducciónEstamos rodeados de materia, mezclas y sistemas dispersos, pero ¿qué es la materia? ¿Cuántos
tipos de mezclas hay?, ¿conoces algunos ejemplos de ellas? ¿Cómo podemos distinguir entre
disoluciones, suspensiones y coloides? ¿Podrías identifi car algunos de ellos en tu hogar? ¿De
qué forma establecemos cualitativa y cuantitativamente la concentración de las disoluciones?,
¿consideras que es importante hacerlo? ¿Por qué?
Seguramente estarás de acuerdo en que es más fácil mezclar que separar; piensa, por ejemplo,
en que aparentemente uno no se da cuenta de cómo es que la ropa limpia se llega a mezclar
con la sucia y, después de un tiempo, si olemos el montón de ropa resulta difícil decidir si la
debemos acomodar o lavar. En las metodologías químicas se usan técnicas de separación como
parte de un análisis. En este bloque revisaremos la clasifi cación de la materia, identifi caremos
el tipo de sistema disperso al que pertenecen productos de uso cotidiano y propondrás méto-
dos de separación de componentes de mezclas reales e hipotéticas. Determinaremos la concen-
tración de soluciones y valoraremos la importancia de conocer el grado de acidez y basicidad
de sustancias de uso común para tomar decisiones pertinentes y conscientes. En el siguiente
organizador gráfi co (fi gura 2.1) apreciarás las ideas clave que desarrollaremos en este bloque.
Figura 2.1 Ideas principales del
Bloque 2 Sistemas dispersos
Evaluación diagnóstica,
p. 23
2Sistemas dispersos
tiene
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Materia¿Qué es la materia? Comúnmente se dice que es aquello que tiene masa y ocupa un lugar en
el espacio; sin embargo, esta defi nición no es de mucha utilidad y puede resultar confusa, ¿no
te parece? Si no es claro el concepto de masa, el de materia tampoco lo será. La masa es una
propiedad de los objetos que nos permite cuantifi car la difi cultad que se experimentará al
tratar de moverlos o al intentar cambiar su dirección o velocidad una vez que se estén movien-
do; es una medida numérica de su inercia. ¿A qué te suenan estas ideas?, ¿a algo relacionado
con la física? Esa defi nición de masa resulta de la aplicación de la segunda Ley de Newton.
Otra característica de la masa es que no cambia. Por ejemplo, un objeto
que tiene una masa de 1 kg en la Tierra, tendría la misma masa de 1 kg en
la Luna, pero ahí pesaría una sexta parte. Esto se debe a que la masa no
depende de la atracción gravitacional. El símbolo usual de la masa es m y
su unidad en el Sistema Internacional (si) es el kilogramo (kg). El peso de
un objeto es la fuerza con la que la gravedad lo atrae y se puede defi nir
como el producto de la masa por la constante de la aceleración de la gra-
vedad: peso = mg. Puesto que el peso es una fuerza, su unidad en el si es
el Newton. No es correcto usar como sinónimos peso y masa.
Recordemos que para estudiar químicamente una cosa, sujeto o proceso debemos establecer
en qué parte centraremos nuestra atención; es decir, cuál será nuestro objeto de estudio, al que
llamaremos simplemente sistema. En química, el sistema puede ser una molécula, una célula,
un organismo, un mineral, el proceso de transferencia de energía o materia entre una célula y
su alrededor, etc. Un sistema es una parte del Universo defi nida arbitrariamente para su estudio.
¿Quién elige el sistema? El investigador, profesor o alumno que esté interesado en estudiarlo. ¿A
ti qué sistema te interesaría investigar?
Los sistemas en química pueden estudiarse en tres niveles o representaciones: el macroscópico,
el microscópico y el simbólico (fi gura 2.2). Es importante destacar que actualmente dentro del
nivel microscópico se puede incidir en el nivel nanoscópico, por lo que a lo largo del bloque nos
referiremos a éste (recuerda que 1 nm = 1 × 10–9 m).
Figura 2.2 Niveles de representación del agua según Johnston.
Ejercicio 1, p. 24
La masa es constante, no importa en qué lugar del Universo se encuentre, a diferencia del peso, el cual sí varía.
Simbólico
H2OModelo conceptual
Microscópico
Percibimos
Macroscópico
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Sistemas dispersos
La representación macroscópica se construye mediante la información proveniente de los
sentidos. Dicha representación está basada en propiedades organolépticas, visuales, auditivas
y táctiles. Por ejemplo, favorece el aprendizaje sobre algunas propiedades del agua en función
de su estado de agregación. El nivel microscópico hace referencia a representaciones abstrac-
tas en la mente para explicar cómo se comportan las sustancias químicas mediante esquemas
de átomos, moléculas o iones. En este nivel se nos muestra la estructura de una molécula de
agua y el arreglo ordenado de varias de ellas. Por último, el nivel simbólico permite represen-
tar a las sustancias y los cambios que les ocurren a partir de fórmulas química y ecuaciones.
Considerando esto, nos conviene incorporar dos características más del sis-
tema: su número de fases y componentes. La fase es la porción homogénea
del sistema físicamente distinguible y mecánicamente separable (¿se te
ocurre algún ejemplo?); es decir, la fase de un sistema es una característica
macroscópica, por lo que con ayuda del sentido de la vista puedes decidir
si un sistema determinado tiene una o más fases (fi gura 2.3). Debes tener
en cuenta que fase y estado de agregación son ideas diferentes. Un caso es
el del grafi to y el diamante, que son dos formas alotrópicas del carbono
(recuerda que un alótropo es una de dos o más formas posibles y distintas
de un elemento, debidas a una diferencia en su estructura interna); son,
por lo tanto, fases distintas con propiedades diferentes; por ejemplo, el
grafi to es un sólido quebradizo y el diamante es un sólido con alta dureza,
pero ambos se encuentran en el mismo estado de agregación: sólido.
Los componentes hacen referencia al número de especies o entidades quími-
cas presentes en un sistema, cuyas propiedades físicas y químicas se defi -
nen mediante su estructura química (la cual, como veremos en el Bloque
3, a veces puede ser representada por su fórmula química). Un componente
es una sustancia, es decir, un elemento químico o un compuesto químico.
Para conocer cuáles y cuántos componentes tiene un sistema es necesario hacer un análisis
químico, por lo que no basta con la vista, así que el o los componentes de un sistema son una
característica microscópica del sistema.
Ahora, volvamos a observar la foto del vaso con agua de la fi gura 2.2. Como puedes ver, tiene
dos fases: una líquida (el agua líquida) y una gaseosa (el aire por arriba de la superfi cie del agua
líquida e imagina que tuviera una tercera, sólida o hielo). Para conocer cuáles y cuántos com-
ponentes tiene cada fase tendríamos que analizar químicamente al agua para corroborar que
sólo es agua o buscar qué otros componentes tiene disueltos; un proceso semejante se tendría
que hacer para conocer qué y cuántos gases hay en el aire.
Hagamos una pausa para recopilar y aplicar la información que hemos revisado hasta aho-
ra. Si consideramos que nuestro sistema es un material podemos caracterizarlo mediante
sus propiedades, por ejemplo, su masa y número de fases; además, con un análisis químico
podemos conocer cuántos y cuáles componentes tiene y así decidir si se trata de una mezcla
o de una sustancia.
Figura 2.3 Este sistema tiene dos fases (agua y aceite) que son distinguibles y pueden
separarse.
Ejercicio 2,p. 24
Actividad 1, p. 24
El azufre rómbico es el alótropo estable del azufre a temperatura ambiente. Al fundirse y, posteriormente, enfriarse, forma otro alótropo: el azufre monoclínico, cuya apariencia es la de un conjunto de agujas.
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Elemento HomogéneaCompuesto
Sustancia Mezcla
Heterogénea
Materiales
Masa
Componentes
tienen varias
Si tienen varios es una
Nivel de estudio: microscópico o nanoscópio
Nivel de estudio: macroscópico Fases
tienentienen
tiene
Si tienen uno es una
tiene una
puede ser
forma
puede ser
2En el siguiente esquema (fi gura 2.4) se muestra la organización gráfi ca de estas ideas y de
aquellas que desarrollaremos más adelante en este bloque.
Figura 2.4 Materiales, sustancias y mezclas.
El término material sustituye de forma práctica el concepto de materia. ¿Te es familiar dicho
término? ¿Cuáles materiales conoces? Un material tiene varias propiedades, entre ellas, mate-
ria y masa, y además, con el criterio del número de componentes podemos clasifi carlo como
elemento o sustancia (ambos con un componente), o como mezcla (con más de un componente).
Con ayuda de la química se han sintetizado materiales útiles para la sociedad: materiales poli-
méricos (plásticos), combustibles mejorados, fármacos más efectivos, suplementos alimenticios,
conservadores, materiales inteligentes e incluso materiales hechos a la medida, es decir, con
propiedades específi cas.
La historia de la civilización, desde sus orígenes hasta nuestros días, es en parte la historia
del mejoramiento de los materiales. No es casualidad que los historiadores nombren las
etapas de la civilización por medio de los materiales utilizados prioritariamente por el ser
humano durante ciertos periodos. Así, tenemos la Edad de Piedra, seguida por la Edad del
Bronce y la Edad del Hierro. A estas etapas podríamos agregar la moderna Edad del Acero,
desde mediados del siglo xix y, en la actualidad, la Edad del Silicio, material que se usa en
microelectrónica desde 1960.
Actividad experimental 1, p. 41
Los materiales inteligentes cambian de manera específica su estructura, composición, funciones o propiedades eléctricas, mecánicas y acústicas en respuesta a un estímulo proveniente del ambiente. Este cambio es modificable y predecible, por lo que se incorpora como tecnología en productos comerciales.
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Anteriormente se usaban los materiales en su estado
natural, en la actualidad se les procesa y elabora me-
diante diferentes técnicas que se apoyan tanto en el
conocimiento experimental como en el teórico.
No debes perder de vista que la composición de un
material le confi ere sus propiedades características y
que, si se modifi ca, inevitablemente cambia. Un ejem-
plo de esto es la llamada enfermedad de los huesos de
cristal. La composición básica de los huesos humanos
es de 25 % de agua, 45 % de minerales, como fosfato y
carbonato de calcio, y 30 % de materia orgánica, como
el colágeno, el cual ayuda a mantener los huesos fuer-
tes. Cuando los genes involucrados en la producción de
colágeno dejan de funcionar, no producen lo necesario
o no funciona adecuadamente. Esto trae como consecuencia que los huesos se debiliten y se
rompan con facilidad, de ahí que se les llame huesos de cristal (fi gura 2.5).
Estudiar química te provee de información que puede servir para modifi car tus actitudes
y acciones. La síntesis de materiales tiene sus ventajas, pero su producción ha tenido como
consecuencia la sobreexplotación de los recursos naturales, con lo cual ha aumentado el
deterioro ambiental (por ejemplo, mediante la contaminación del suelo, los cuerpos de agua
y la atmósfera), que amenaza la conservación de recursos no renovables, así como la gran
variedad de fauna y fl ora del planeta.
No hay que olvidar que los seres humanos controlamos la síntesis, producción y uso de los
materiales, a través de la ciencia y la tecnología, para nuestro benefi cio, pero al mismo tiem-
po somos responsables de los efectos destructivos que estos procesos causan. ¿Qué estamos
dispuestos a hacer para evitar el uso indiscriminado de los materiales?
En Estados Unidos, el Acta de Prevención de la Contaminación de 1990 estableció la reducción de
las fuentes contaminantes, considerando que es mejor prevenir que remediar. Para lograr esto
se requiere de la coordinación de las diversas disciplinas científi cas y tecnológicas involucradas
en la generación de materiales como los productos químicos. Esto dio origen a la aparición de
lo que hoy conocemos como Química verde (o Química sustentable), que busca prevenir la conta-
minación ambiental mediante el diseño de procesos y productos químicos que no posean pro-
piedades dañinas. La misión de la química verde es promover el desarrollo y uso de tecnologías
químicas innovadoras que reduzcan o eliminen el empleo o generación de materiales dañinos
en el diseño, manufactura y uso de otros materiales (productos químicos).
En este momento en que los conceptos de desarrollo sustentable, ecología y cambio climático
son ideas que manejamos casi cotidianamente y que implican una conciencia cada vez mayor
acerca de los efectos de las actividades humanas sobre el ambiente, es importante destacar la
infl uencia que las ciencias, y en especial la química, poseen sobre estos conceptos.
Figura 2.5 Las constantes fracturas que tienen las personas con la enfermedad de los huesos de cristal provoca arqueamiento
y deformaciones de los huesos.
El desarrollo de la química verde está en una etapa crucial. Investiga más acerca de ella y sus 12 principios en el documento Química verde, la química del nuevo milenio en: http://edutics.mx/3iJ.
AVERIGUA MÁS
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Sustancias puras: elementos y compuestos Como hemos establecido, estamos rodeados de mate-
riales todo el tiempo; por ejemplo, el aire que respira-
mos (un gas), el jugo que tomamos en el desayuno (un
líquido) y el vehículo que usamos como transporte
público (un sólido). Los materiales comparten una
característica: están formados por varios componen-
tes en diferentes proporciones. Podemos corroborar, al
usar el esquema de la fi gura 2.6, que existen materiales
que sólo tienen un componente. A estos materiales los
llamamos sustancias.
Una sustancia (algunos autores la llaman sustancia
pura) es un material que tiene propiedades defi nidas y
una composición que no varía de una muestra a otra;
esto es, tiene los mismos componentes en las mismas
proporciones. El agua y el cloruro de sodio son los com-
ponentes principales del agua de mar; el nitrógeno y el
oxígeno son los componentes mayoritarios del aire, por
su parte, el aluminio es uno de los componentes de los
automóviles. Éstos son ejemplos de sustancias puras.
¿Qué otras sustancias puras conoces?
En muchos textos, incluso en el título de este apartado, encontrarás la idea de sustancia pura.
Se recomienda no usar este término porque lleva a creer que también hay una “sustancia
impura”. En el nivel macroscópico, una sustancia se considera pura cuando se funde o hierve
a temperatura constante, a una presión establecida; es decir, una sustancia pura tiene tempe-
ratura normal de fusión, así como temperatura normal de ebullición. ¿Recuerdas qué tipo de
propiedades son esas temperaturas? Es muy probable que el término de "sustancia pura" haya
surgido de la actividad cotidiana de los químicos experimentales al manipular sustancias con
cierto grado de pureza, con lo cual dicen o escriben ideas como: “una muestra de carbonato
de calcio con 80 % de pureza”.
Observa de nuevo el esquema de la fi gura 2.6. Los materiales pueden ser sustancias o
mezclas y la pureza indica la proporción en que se encuentra cada sustancia en el ma-
terial; cuando una de ellas está en una proporción muy grande, para fi nes prácticos, se
dice que está pura. Pero esto se debe cuantifi car mediante un análisis químico y se debe
indicar el grado de pureza que tiene referido a una sustancia en particular mediante la
representación de otra propiedad de los materiales: la concentración. ¿Recuerdas qué tipo
de propiedad es?
La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada, uiqpa (mejor conocida como iupac por
sus siglas en inglés), recomendó desde 1997 que no se utilizara el término pure substance o
“sustancia pura”.
Actividad 2, p. 24
Ejercicio 3, p. 25
Revisa el siguiente objeto de aprendizaje sobre la clasificación de la materia. Lo encontrarás en la dirección electrónica: http://edutics.mx/3wS.
TIC
Figura 2.6 Materiales: sustancias y mezclas.
Sustancia Mezcla
Materiales
Propiedades
Componentes
Si tienen varios es una
Masa Fase
puede ser
forman
tienen
tienen
como
Elemento Compuesto
Si tienen uno es una
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El adjetivo “puro” en la vida cotidiana está relacionado con la idea de cali-
dad, de saludable, de natural o de no contaminado. Alguien podría decirte
que el jugo de naranja es una sustancia pura si proviene directamente de
la naranja. En la actualidad hasta se podría agregar: si proviene de una
naranja orgánica; incluso tú, cuando estás en el bosque, has pensado que
estás respirando “aire puro”. Pero en la química la pureza está asociada con
la idea de que un material tiene varios componentes y que uno de ellos, el
que da la pureza, es el de mayor interés (científi co y económico). El resto de
los componentes del material, los de menor interés, son nombrados como
impurezas (fi gura 2.7). Por ejemplo, la plata conduce mejor la electricidad que
el cobre; entonces, ¿por qué no se usa plata para los circuitos eléctricos cotidianos? Porque tiene
un mayor valor económico. Sin embargo, pequeñas cantidades de impurezas en el cobre reducen
considerablemente su conductividad. En realidad una sustancia no tiene que ser pura o impura.
No debes confundir el signifi cado químico de sustancia con el uso coti-
diano que se da a este término. Comúnmente la palabra "sustancia" está
asociada con la noción de material caracterizado por algún rasgo o pro-
piedad relacionada con su utilidad o con alguna manifestación relevante
para las personas (madera, vidrio, aire, arena, lluvia, vino, etcétera). En
el uso diario, a veces, todo material homogéneo es considerado como una
sustancia (por ejemplo, el vinagre, el cloro, el alcohol). Desafortunadamen-
te, otras veces las sustancias, como es el caso de los compuestos químicos,
son consideradas mezclas; por ejemplo, el agua es clasifi cada como una
mezcla de hidrógeno y oxígeno.
También, el término "sustancia" suele tener una connotación misteriosa,
artifi cial o prohibida. Incluso entre especialistas de otras áreas científi cas
o instituciones reconocidas no siempre se hace un uso correcto de la idea
de sustancia. Los textos en inglés suelen agregarle el califi cativo de “química”: y lo denominan
sustancia química (chemical substance), para otorgarle mayor precisión. La uiqpa también se
refi ere al concepto de chemical substance.
Otra situación macroscópica relevante es que una misma sustancia puede estar presente en
cualquiera de los tres estados de agregación (sólido, líquido y gaseoso), dependiendo de la
temperatura y la presión de los alrededores.
Imagina una muestra macroscópica, del tamaño que consideres, de agua, sólo agua. Indepen-
dientemente de si elegiste agua sólida, agua líquida o vapor de agua, se trata de un material
con un sólo componente: el agua. Tal vez si lo imaginaras a nivel nanoscópico resulte más
evidente. Ese único componente del material agua es representado por una molécula de agua.
Millones de moléculas de agua, dependiendo de las condiciones de temperatura y presión,se
pueden encontrar como un material sólido, líquido o gaseoso.
Ejercicio 4, p. 25
La pureza de un material hace referencia a la
cantidad del componente del mismo, que tiene
mayor interés económico o científico.
Un dato interesante que muestra el uso, en la química experimental, del concepto de pureza, es que existe un método electrolítico para convertir cobre de 99 % de pureza en cobre con 99,9 % de pureza. Literalmente, el proceso consiste en pasar cobre de una muestra “impura” a otra que será “pura”. En la práctica, una sustancia pura al 100 % es un concepto ideal.
INFORMACIÓN IMPORTANTE
Figura 2.7 Las impurezas habituales presentes en el cobre son hierro y plata.
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2Otro ejemplo involucra al hidrógeno, el cual se encuentra como un gas en la superfi cie de la
Tierra, pero se han obtenido evidencias científi cas de que en la superfi cie de Júpiter el hidró-
geno se halla en estado líquido e incluso en estado sólido. En ambos lugares del Universo se
trata de una sustancia cuyo componente es el hidrógeno. ¿Por qué suceden estas diferencias
en su estado de agregación? Porque las condiciones de presión en la atmósfera de cada planeta
son muy diferentes. A medida que aumenta la presión sobre un gas, éste se transforma en
líquido o, incluso, se vuelve sólido.
Las sustancias poseen propiedades específi cas que deben ser medidas en condiciones de-
terminadas. Regresemos al ejemplo del agua. A la misma temperatura, 25 °C, por ejemplo,
la densidad del agua sólida es diferente de la del agua líquida, y cualquiera de esas dos es
diferente de la del vapor de agua. La explicación de este cambio está en una situación nanos-
cópica: las moléculas de agua se orientan de forma distinta en cada estado de agregación.
Las sustancias poseen una composición química constante que puede
representarse por medio de una fórmula. ¿Consideras que las mezclas
pueden representarse con fórmulas químicas?
El concepto de sustancia fue expuesto por primera vez en París en 1718,
cuando Étienne François Geoff roy (1672-1731) presentó ante la Real Aca-
demia de Ciencias una tabla que mostraba la relación que había entre
diferentes sustancias en una reacción (fi gura 2.8). Esta tabla, llamada de afi nidades, según el
químico Antoine-François de Fourcroy (1755-1809), sirvió como “faro de la química” durante
todo el siglo xviii. La tabla de afi nidades (o reactividades) está encabezada por 16 “sustancias
referencia”, con las que sí reaccionan o son afi nes las sustancias colocadas en la misma co-
lumna. Mientras más arriba están en la columna, más afi nes son las sustancias.
Geoff roy señaló los signifi cados de los símbolos. Algunos de ellos son Acide du sal marine (ácido
clorhídrico), Acide nitreaux (ácido nítrico), Acide vitriolique (ácido sulfúrico), Sel alcali fi re (carbo-
nato de potasio y de sodio), Substances metalliques (sustancias metálicas), Mercure (mercurio),
Regule d’Antimoine (antimonio), Or (oro), Argent (plata), Cuivre (cobre), Fer (hierro), Plomb (plomo),
Etain (estaño), Zinc, Pierre calaminaire (carbonato de zinc), Esprit de vinaigre (ácido acético), Eau
(agua) y Sel (sal). En la actualidad, con el criterio contemporáneo de sustancia, ¿todas siguen
siendo sustancias? Ejercicio 5, p. 26
Las sustancias tienen propiedades específicas que las hacen únicas.
Figura 2.8 Tabla de afinidades de Étienne François Geoffroy.
Actividad 3, p. 25
Actividad 4, p. 26
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Sistemas dispersos
ElementoLos teléfonos celulares constituyen uno de los objetos más populares en la sociedad contem-
poránea; es rara la persona que no posee uno. Tal vez te preguntarás: ¿qué tiene que ver la
química con los teléfonos inteligentes? Basta con revisar la tabla periódica de los elementos
(fi gura 2.9) para identifi car varios componentes de los llamados smartphones. De los 83 ele-
mentos estables (no radiactivos), al menos 70 de ellos se pueden encontrar en los teléfonos
inteligentes. ¡Eso es 84 % de todos los elementos estables!
Figura 2.9 Tabla periódica de los elementos químicos editada por la UIQPA , actualizada en 2017.
18
4BeBerilio
12Mg
24.305
20CaCalcio
40.078(4)
38Sr38Sr
56BaBario
137.33
88RaRadio
5B
Boro10.81
[10.806, 10.821]
13Al
Aluminio
26.982
31GaGalio
69.723
49InIndio
114.82
81TlTalio204.38
[204.38, 204.39]
6C
Carbono
[12.009, 12.012]
14Si
Silicio 28.085
[28.084, 28.086]
32Ge
Germanio
72.630(8)
50Sn
Estaño
118.71
82PbPlomo
7N
14.007[14.006, 14.008]
15P
Fósforo
30.974
33As
Arsénico
74.922
51Sb
Antimonio
121.76
83Bi
Bismuto
208.98
8O
Oxígeno15.999
[15.999, 16.000]
16S
Azufre32.06
[32.059, 32.076]
34Se
Selenio
78.971(8)
52Te
Telurio
127.60(3)
84Po
Polonio
9F
Flúor
18.998
17ClCloro35.45
[35.446, 35.457]
35Br
Bromo79.904
[79.901, 79.907]
53I
Yodo
126.90
85At
Astato
10NeNeón
20.180
2HeHelio
4.0026
18ArArgón
39.948
36Kr
83.798(2)
54XeXenón
131.29
86RnRadón
22Ti
47.867
22Ti
47.867
40Zr
Zirconio
91.224(2)
72Hf
Hafnio
178.49(2)
104Rf
Rutherfordio
24Cr51.996
24Cr51.996
42Mo
Molibdeno
95.95
74W
183.84
106Sg
Seaborgio
25Mn54.938
43Tc
Tecnecio
75ReRenio
186.21
107BhBohrio
26FeHierro
55.845(2)
44Ru
Rutenio
101.07(2)
76OsOsmio
190.23(3)
108HsHassio
27Co
Cobalto
58.933
45RhRodio
102.91
77Ir
Iridio
192.22
109Mt
Meitnerio
28Ni
58.693
46Pd
Paladio
106.42
78Pt
Platino
195.08
DsDarmstadio
29CuCobre
63.546(3)
47AgPlata
107.87
79AuOro
196.97
30ZnZinc
65.38(2)
48Cd
Cadmio
80Hg
Mercurio
200.59
111Rg
Roentgenio
112Cn
Copernicio
114Fl
FlerovioNh
Nihonio
115Mc
MoscovioTs
Teneso
118Og
OganesónLv
Livermonio
57La
Lantano
138.91
58CeCerio
140.12
59Pr
Praseodimio
140.91
60Nd
Neodimio
144.24
61Pm
Prometio
62SmSamario
150.36(2)
63Eu
Europio
151.96
64Gd
Gadolinio
157.25(3)
65TbTerbio
158.93
66Dy
Disprosio
162.50
67HoHolmio
164.93
68ErErbio
167.26
69TmTulio
168.93
70YbIterbio
173.05
71Lu
Lutecio
174.97
89AcActinio
90ThTorio
232.04
91Pa
Protactinio
231.04
92U
Uranio
238.03
93Np
Neptunio
94Pu
Plutonio
95Am
Americio
96CmCurio
97Bk
Berkelio
98Cf
Californio
99Es
Einstenio
100FmFermio
101Md
Mendelevio
102No
Nobelio
103Lr
Lawrencio
21Sc
Escandio
44.956
39YItrio
88.906
57-71
Lantánidos
89-103
Actínidos
2 13 14 15 16 17 Grupo
3 4 6 7 8 9 10 11 12
1H
Hidrógeno1.008
[1.0078, 1.0082]
1
1
2
3
4
5
6
7
3LiLitio6.94
[6.938, 6.997]
11NaSodio
19K
Potasio
37Rb
Rubidio
55Cs132.91
55Cs132.91
87Fr
Francio
Cesio
9.0122
Magnesio
[24.304, 24.307]
Estroncio
22.990
39.098
85.468 87.62
Titanio
23V
Vanadio
50.942
41NbNiobio
92.906
73Ta
Tantalio
105DbDubnio
5
180.95
Cromo
Tugsteno
Manganeso Níquel
110 113
12.011
207.2
Nitrógeno
116 117
Kriptón
Perio
dos
1H
Hidrógeno1.008
[1.0078, 1.0082]
Símbolo
Masa atómica convencional
Número atómico
Nombre
Masa atómica estándar
Tabla periódica de los elementos IUPAC
AlcalinosAlcalinos térreosLantánidosActínidosMetales de TransiciónOtros metalesMetaloidesOtros no metalesHalógenosGases nobles
112.41
Observa el video What´s in your Smartphone?, para que descubras qué otros elementos diferentes puedes encontrar en tu teléfono celular. Lo encontrarás en la dirección electrónica: http://edutics.mx/3UD.
TIC
Revisa la siguiente página electrónica para conocer más sobre los cuatro elementos químicos que completaron el séptimo periodo de la tabla y a los que, a finales de 2016, la UIQPA les asignó nombres: http://edutics.mx/3UK.
AVERIGUA MÁS
Un smartphone o teléfono inteligente típico contiene, entre otros elementos, aluminio (Al) y
silicio (Si) en su pantalla táctil, así como indio (In) y estaño (Sn) para que ésta funcione. En
sus baterías, estos teléfonos utilizan cobalto (Co) y litio (Li) como cátodo, mientras que grafi to
(alótropo de carbono) como ánodo. En el componente electrónico se usan una amplia gama
de elementos, el procesador principal del teléfono o chip está echo de silicio. Para que éste
pueda conducir la electricidad necesita ser bombardeado con elementos como el fósforo (P),
antimonio (Sb), arsénico (As), boro (B) y galio (Ga). Los componentes microeléctricos y cablea-
do contienen aproximadamente 300 miligramos de plata (Ar), 30 miligramos de oro (Au) y
platino (Pt) o paladio (Pd) en menor cantidad. Además tiene cantidades muy pequeñas de pra-
seodimio (Pr), gadolinio (Gd) y terbio (Tb). ¿Puedes ubicar a todos estos elementos en la tabla
periódica de la fi gura 2.9? ¿Dónde se encuentran? ¿Pertenecen a la misma familia o periodo?
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2El uso de elementos químicos metálicos permite que los teléfonos sean
“inteligentes” (figura 2.10). Un smarthphone promedio puede contener has-
ta 62 tipos diferentes de metales, entre otros materiales. Los llamados
metales de las tierras raras que tienen una función vital en el diseño y
funcionamiento de los teléfonos celulares. Entre ellos están el escandio
(Sc) e itrio (Y), así como los elementos con número atómico 57-71 conoci-
dos como lantánidos, porque comienzan con el elemento de lantano (La).
Varios de los componentes de un smartphone son sustancias de un tipo
particular llamadas elementos químicos. La noción de elemento químico
ha tenido muchos cambios y ha estado relacionada con otros conceptos y
modelos de la química.
Un punto de referencia para este curso es considerar que debemos adop-
tar las definiciones de “elemento químico” aportadas por la uiqpa, y que
podemos resumir:
1. Una clase de átomos, todos los átomos con el mismo número de protones en el núcleo
atómico. […]
2. Una sustancia química compuesta de átomos con el mismo número de protones en el
núcleo atómico. A veces a esta sustancia se le denomina sustancia elemental para distin-
guirla de lo que se menciona en la definición 1 de elemento químico, pues el término de
elemento químico se usa para ambos conceptos.
Ambas definiciones coinciden, no obstante, en la idea de elemento en la identidad nuclear de
los átomos componentes. Lo cierto es que, de forma concreta, macroscópica y experimental,
todos los materiales tienen componentes que están formados de sustancias llamadas elementos
químicos, los cuales tienen propiedades físicas y químicas específicas y no pueden dividirse en
otras sustancias por medio de reacciones químicas ordinarias.
Cada elemento se denota con su símbolo químico, que puede ser una
sola letra mayúscula o, cuando la primera letra ya está “ocupada” por
otro elemento, una combinación de dos letras. Algunos elementos usan
el nombre en español, como C para el carbono o Ca para el calcio. Otros
símbolos químicos provienen de los nombres en latín de los elementos,
por ejemplo, el símbolo del sodio es Na, una forma abreviada de natrium,
la palabra en latín para sodio. Otros elementos reciben su nombre a
partir del lugar donde fueron descubiertos, por ejemplo el Moscovio
(en referencia a Moscú, la capital de Rusia, donde se ubica el Instituto
de Investigaciones Nucleares, en el que se descubrió en 2004), existe
menos de un segundo antes de descomponerse en átomos más ligeros.
Los cinco elementos comunes a todos los organismos vivos son el oxígeno (O), el carbono (C),
el hidrógeno (H), el azufre (S) y el nitrógeno (N), que en conjunto forman alrededor de 96 %
del cuerpo humano. En el mundo de los materiales “no vivos”, es decir, los materiales inor-
gánicos, los elementos se encuentran en proporciones muy diferentes. Lo cierto es que todos
los elementos y las reacciones químicas que ocurren entre ellos obedecen a las mismas leyes
físicas y químicas, sin importar si forman parte de organismos vivos o no.
Existen 118 elementos, pero sólo 92 de ellos están presentes en la naturaleza; los demás han sido creados artificialmente.
Actividad 5, p. 26
Ejercicio 6, p. 26
Figura 2.10 Elementos como el silicio y el galio se utilizan en la fabricación de microprocesadores para smartphones.
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Sistemas dispersos
CompuestoLos compuestos químicos son sustancias que están formadas por la combina-
ción química de dos o más elementos químicos en proporciones fi jas. El
agua, H2O, está formada por los elementos hidrógeno y oxígeno en una
proporción de 2 a 1. El cloruro de sodio, NaCl, tiene una proporción 1 a 1 de
sodio y cloro, pero, a diferencia del agua (que es una especie molecular), es
una especie reticular, es decir, forma redes de átomos (fi gura 2.11). Todos los
elementos químicos intervienen en diferentes combinaciones químicas para
formar los compuestos conocidos y por conocer.
Si tratáramos de dividir, en el nivel macroscópico, un compuesto como
el agua en partes cada vez más pequeñas, llegaría un momento en el que
tendríamos una molécula de agua, la cual está formada por dos átomos
de hidrógeno y uno de oxígeno. Si la seguimos dividiendo mediante mé-
todos químicos, obtendríamos los elementos: 2 moléculas de hidrógeno
y 1 molécula de oxígeno, lo cual, en el nivel macroscópico, se traduce en
2 volúmenes de hidrógeno y 1 volumen de oxígeno (fi gura 2.12).
Figura 2.12 Electrólisis del agua. El agua se descompone (o separa) en los elementos que la componen, hidrógeno y oxígeno, cuando a través de ella se pasa una corriente eléctrica directa.
Cátodo
Batería
Ánodo
O2
H2O
H2
Es relevante mencionar que las propiedades macroscópicas y nanoscópicas de los elementos
que forman un compuesto son diferentes a aquellas del compuesto formado (tabla 2.1).
Tabla 2.1 Propiedades de algunos compuestos
Agua Hidrógeno Oxígeno
Estado* Líquido Gas Gas
Punto de ebullición normal 100 °C −253 °C −182 °C
Densidad* 1000 g/l 0.084 g/l a.33 g/l
Infl amable No Sí No
* A temperatura de 25 °C y 1 atm de presión atmosférica.
Figura 2.11 Compuestos químicos. A: Representación de una molécula de agua.
B: Fragmento de la retícula del NaCl.
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B
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2Existe otra posibilidad de arreglo atómico en los compuestos. Se trata de los llamados compues-
tos iónicos, los cuales están formados por partículas con cargas eléctricas positivas y negativas,
átomos ionizados, que forman una retícula o red tridimensional. No son partículas discretas
como las moléculas. Estos compuestos también se pueden representar con una fórmula química.
La fórmula química proporciona información de la relación mínima, de números enteros, entre
las partículas positivas y negativas dentro de la red tridimensional. El NaCl y el CaO son ejemplos
de fórmulas químicas de compuestos iónicos. Como puedes observar en la fi gura 2.11 (página
48), la proporción de Cl– y Na+ es 1:1. Por cada Cl– hay un Na+; visto de otra forma, cada Cl– está
rodeado de 6 Na+ y cada Na+ está rodeado por 6 Cl–.
Mezclas: homogéneas y heterogéneasLos materiales que constituyen el aire, el agua y las rocas de nuestro entorno participan en
reacciones químicas que se llevan a cabo lentamente; estos cambios químicos son parte de los
procesos geológicos que moldean al planeta. Como estudiaste en tu pasado curso de química,
esas reacciones químicas se pueden representar mediante ecuaciones químicas e, incluso,
algunas se pueden reproducir en los laboratorios.
Las sustancias se pueden representar con su fórmula química, la cual no es una mera abrevia-
tura; de ella se puede deducir información, cualitativa y cuantitativa, sobre las propiedades
de la sustancia que representa.
Como ya lo has refl exionado y corroborado, la mayor parte de los materiales que conocemos
consisten en mezclas de diferentes componentes, los cuales pueden ser sustancias. Cada
componente de una mezcla tiene su propia identidad química y conserva algunas de sus
propiedades. En contraste con una sustancia, que tiene una composición fi ja, la composición
de una mezcla puede variar (tabla 2.2). Por ejemplo, una taza de chocolate de agua puede
contener poca azúcar o mucha, o bien, no tenerla; en este caso, agua, chocolate y azúcar son
los componentes de la mezcla.
Tabla 2.2 Comparación entre un compuesto y una mezcla
Mezcla Compuesto
Composición
Variable. Cambia la cantidad de
cada componente en una
mezcla.
Defi nida. No varía la cantidad y
tipo de cada elemento que
forma un compuesto.
Componentes
Tipo de
interacción
No se encuentran unidos
mediante enlaces químicos.
Se encuentran unidos mediante
enlaces químicos.
Propiedades
Algunas propiedades
permanecen al formar la
mezcla.
Los compuestos tienen
propiedades diferentes a los
elementos que los forman.
SeparaciónSe pueden separar por distintos
métodos experimentales.
Sólo se pueden separar por
métodos químicos.
Ejemplos Aire, agua de mar. H2O, CO2, NaCl.
Ejercicio 7, p. 27
Actividad 6, p. 27
Actividad 7, p. 27
Revisa el objeto de aprendizaje sobre la clasificación de la materia en la siguiente dirección electrónica: http://edutics.mx/3TB.
TICMATERIA
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Materiales
¿Cuántas fases tiene?
Una Más de una
Mezcla heterogéneaMezcla homogénea
Figura 2.13 Mezclas homogénea y heterogénea.
Sistemas dispersos
Mezcla homogéneaSi el material tiene más de un componente y presenta
sólo una fase, es una mezcla homogénea (fi gura 2.13).
El aire “limpio” es una mezcla homogénea de las sus-
tancias gaseosas nitrógeno, oxígeno, vapor de agua y
pequeñas cantidades de otras sustancias.
Las mezclas homogéneas también se conocen como
disoluciones. Aunque el término disolución nos puede
traer a la mente la imagen de un líquido en un vaso o
en un frasco, las disoluciones pueden ser sólidas, líqui-
das o gaseosas. Más adelante profundizaremos en esto.
Mezcla heterogéneaAlgunos materiales no tienen la misma composición, propiedades ni apariencia en todos sus
puntos. Por ejemplo, la textura y apariencia de los minerales rocosos y de la madera varían
según la región geográfi ca de donde se obtenga la muestra. Si el material tiene más de un
componente y presenta más de una fase, es una mezcla heterogénea.
El coltán es un ejemplo de una mezcla heterogénea (fi gura 2.14). Se trata
de un mineral del cual se extraen materiales que se utilizan para fabricar
componentes de los smartphones y dispositivos electrónicos portátiles. Es
una mezcla de los minerales columbita (una mena de columbio o niobio) y
tantalita (una mena de tantalio). El coltán es de color gris metálico oscuro.
La palabra "coltán" es una abreviatura de columbita-tantalita.
En el siguiente apartado abordaremos los sistemas dispersos, los cuales
en ciertas condiciones experimentales adquieren las características de las
mezclas heterogéneas. Mientras tanto, cuando tengas que determinar si
un material es una mezcla homogénea o heterogénea basta con que uses
el sentido de la vista.
El estudio histórico puede empezar con la discusión de los constituyentes básicos de la ma-
teria, los cuatro elementos de los griegos (o principios generales omnipresentes en la natu-
raleza): tierra, agua, aire y fuego, como combinación de cuatro cualidades que se agrupan
en pares opuestos: frío y calor; mojado y seco (o duro y blando, como indican los modernos
analíticos aristotélicos). Resulta que, en la actualidad, la interpretación científi ca de esos
elementos es: la tierra es una mezcla, el agua es un compuesto, el aire es una mezcla. ¿Cómo
clasifi carías el fuego?
En el siglo xvii, Galileo Galilei (1564-1642) e Isaac Newton (1643-1727), personajes asociados
más con la física que con la química, rechazaron la doctrina aristotélica describiendo el mo-
vimiento con los parámetros de fuerza y masa.
Te recomendamos el documental de la BBC, Sangre móvil, sobre la extracción de coltán en la República Democrática del Congo y sus repercusiones sociales. Puedes verlo en la siguiente dirección electrónica. en http://edutics.mx/3Ur.
TIC
Figura 2.14 La extracción del coltán genera un impacto social, económico y ambiental.
Ejercicio 9, p. 28
Ejercicio 8, p. 27
Ejercicio 10, p. 28
Actividad 8 p. 29MATERIA
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2Sistemas dispersosTodos los días hacemos uso de materiales de más de un componente, los cuales, como se-
guramente ya puedes deducir, son mezclas. Existen mezclas particulares que acabadas de
conseguir o preparar son homogéneas pero que, debido a las propiedades de sus componentes,
el efecto de la gravedad o alguna interacción energética, se tornan heterogéneas. Por ejem-
plo, la leche se corta y la mayonesa se separa en dos fases después de mucho tiempo de estar
almacenada. Estos sistemas especiales reciben el nombre de sistemas dispersos o coloides.
Es importante su estudio porque los encontramos cotidianamente. Se trata de productos ali-
menticios, cosméticos, de limpieza y caseros, o que están presentes en los diversos sistemas
biológicos y en muchos procesos industriales. A continuación, observa la tabla 2.3, en ella
se comparan tres sistemas dispersos de interés en la vida cotidiana, científica y tecnológica,
posteriormente se profundiza en el estudio de cada uno.
Tabla 2.3 Comparación entre tres sistemas dispersos
Disolución Coloide Suspensión
Tipo de mezcla Homogénea
En el límite entre
homogénea y
heterogénea
Heterogénea
Fases presentes 1 2 2
¿Las fases se separan después
de un tiempo de reposo
(decantación)?
No No Sí
Transparencia Sí Intermedia No
Intervalo del tamaño
de partícula de la fase
dispersa (nm)
0.1 a 10 10 a 100 100 a 1000 o más
DisoluciónSi este tema lo estuvieras estudiando en un libro escrito en inglés, seguro encontrarías ideas
como types of solution y solution composition, que se traducen literalmente como “tipos de solu-
ción” y “composición de la solución”. En estas traducciones el sustantivo "solución" tiene un
significado muy especial. Para entenderlo, en el contexto de tu estudio de la química, tenemos
que darnos cuenta de que el término "solución", químicamente hablando, está relacionado
con "disolución" y, por ende, con la acción de disolver.
Es importante aclarar que un término dado tiene un significado en la vida cotidiana u otras
áreas del conocimiento pero que en química tiene otro. Es el caso de la palabra solución, que
en general significa la respuesta a un problema. También puede tener los siguientes usos.
• En matemáticas, se denomina raíz o cero de una función, o solución de la ecuación asocia-
da, al valor o valores de las incógnitas de la función que la anulan.
• En una narración, el desenlace o solución es la conclusión del argumento de una obra de
ficción, mediante la que se resuelve el clímax de la trama principal.
• En marketing, una solución es un producto, un servicio o una mezcla de los dos. Se conside-
ra un cliché del mundo de la mercadotecnia.
Como ves, solución no es un término exclusivo de la química.
Actividad HSE 1, p. 47
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Sistemas dispersos
En este libro utilizaremos el término disolución, ya que es la forma correcta de nombrar un
sistema de estudio el cual es una mezcla homogénea; además, disolución procede del latín dis-solutĭo. El término hace mención a la acción y efecto de disolver uno o más materiales en otro.
El agua de los océanos no parece muy distinta a la del río o lago más cercano a tu comunidad
o a la que fl uye del grifo de su cocina, pero el sabor del agua de mar basta para mostrar que
existe una importante diferencia: su composición. El agua tiene la excepcional capacidad
de disolver una gran cantidad de materiales. Una disolución en la que el agua es el medio
disolvente se conoce como disolución acuosa. El agua de mar es diferente de la que conoce-
mos como “agua dulce”, ya que tiene una alta concentración de materiales iónicos disueltos.
¿Recuerdas que en tu clase pasada de química estudiaste las propiedades de estos materiales?
No estaría mal darle un vistazo para recordar las ideas principales.
Soluto y disolventeEn una disolución llamamos comúnmente disolvente al componente más abundante y de-
nominamos soluto a cada uno de los demás materiales de la disolución. Cabe destacar que
el disolvente se encuentra en mayor proporción. Si en una disolución de dos componentes
ambos están en la misma cantidad, se considera como disolvente al que más veces cumple
esta función. Es común pensar sólo en disoluciones líquidas, como una de sal en agua o, un
ejemplo más cotidiano, como agua de limón, la cual sería una disolución acuosa de limón.
Sin embargo, la plata fi na, la cual se utiliza en la joyería, también es una disolución: tiene
una distribución homogénea de aproximadamente 7 % de cobre en plata. La plata fi na es un
ejemplo de una disolución sólida. El aire que respiramos es una disolución de varios gases y el
latón es una disolución sólida de zinc y cobre. En el mundo que nos rodea abundan ejemplos
de disoluciones; algunas sólidas, algunas líquidas y otras gaseosas. Observa la tabla 2.4, en la
que se presentan varios tipos de disoluciones.
Tabla 2.4 Tipos de disoluciones
Fase del disolvente
Fase del soluto Fase de la disolución Ejemplos
Gas
Gas
Gas
Aire
Líquido Niebla
Sólido Humo
Líquido
Gas
Líquido
Bebidas carbonatadas
Líquido Alcohol de 96 °
Sólido Agua de mar
Sólido
Gas
Sólido
Metal con burbujas
Líquido Amalgamas, mercurio y otro metal
Sólido Aleaciones: latón, bronce, acero
La cantidad y la naturaleza del soluto en una disolución son muy importantes, porque tienen
un papel primordial en la determinación de las propiedades de la misma.
Una disolución se forma cuando uno o varios materiales, a los que llamamos solutos, se dispersan
de manera uniforme a través de otro, que es el disolvente. Como ya mencionamos, las disolu-
ciones se pueden encontrar en fase gaseosa, líquida o sólida. La capacidad de los materiales para
formar disoluciones depende de dos factores generales:
Ejercicio 11, p. 29
Actividad experimental 2,
p. 42
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2Entonces, si sabemos algo sobre la fuerza de un ácido (su ca-
pacidad de donar protones), también sabemos algo sobre la
fuerza de su base conjugada (su capacidad de aceptar protones).
La fi gura 2.37 ilustra la relación inversa entre las fuerzas de
los ácidos y las fuerzas de sus bases conjugadas.
En esa fi gura, observamos que los dos miembros de cada par
se presentan en posiciones opuestas una de otra en las dos
columnas. La fuerza de los ácidos disminuye de arriba hacia
abajo, mientras que la fuerza de sus bases conjugadas aumen-
ta de arriba hacia abajo.
Aquí hemos agrupado los ácidos y las bases en tres amplias
categorías de acuerdo con su comportamiento en el agua.
1. Un ácido fuerte transfi ere por completo sus protones al agua y no quedan moléculas sin
disociar en la disolución. Su base conjugada tiene una tendencia insignifi cante a proto-
narse (a extraer protones) en una disolución acuosa.
2. Un ácido débil sólo se disocia parcialmente en disolución acuosa y, por lo tanto, existe en
la disolución como una mezcla de moléculas de ácido y los iones que lo forman. La base
conjugada de un ácido débil muestra una ligera capacidad de eliminar protones del agua
(la base conjugada de un ácido débil es una base débil).
3. Una sustancia con una acidez insignifi cante, como el CH4, contiene hidrógeno, pero no
presenta un comportamiento ácido en el agua. Su base conjugada es una base fuerte, que
reacciona por completo con el agua extrayendo protones para formar iones OH.
pHEl manejo de las concentraciones de H3O
+ y OH– en disoluciones acuosas se puede difi cultar
por ser tan grande el intervalo de ellas. Las disoluciones que se manejan normalmente en
el laboratorio tienen concentraciones de iones H3O+ o de OH– hasta de 0.1 M, o tan peque-
ñas como 1 x 10–14 M. Por tanto, esas concentraciones tienen un intervalo de 14 órdenes de
magnitud. Una buena forma de contextualizar el factor de 1014 que separa un extremo del
intervalo del otro es comparar la diferencia entre el radio de un átomo, por ejemplo, de oro,
y una distancia de 13 kilómetros.
El bioquímico danés Peter Lauritz Sørensen (1868-1939), en 1909 propuso una forma de evitar
el problema de trabajar con números tan pequeños. En ese momento, Sørensen trabajaba en
un laboratorio de la Cervecería Carlsberg, con el propósito de aplicar métodos científi cos al
estudio de las reacciones químicas en la fermentación de la cerveza. Al enfrentar la tarea
de trazar gráfi cas de la actividad de la malta en función de la concentración de iones H3O+,
Sørensen sugirió el uso de los logaritmos para compactar el intervalo de concentraciones
H3O+ y OH– en una escala más cómoda. Como recordarás de tus lecciones de matemáticas,
el logaritmo de un número es la potencia a la que se debe elevar una base para obtener ese
número. Por ejemplo, el logaritmo de base 10 de 10–7 es −7 log (10–7) = −7.
Applicación 2, p. 40
Ejercicio 17, pp. 37-38
Actividad 23, p. 38
Los operadores matemáticos básicos son símbolos que indican una operación matemática. El símbolo p es un operador que indica la operación de obtener el negativo del logaritmo base 10.
INFORMACIÓN IMPORTANTE
Figura 2.37 Ácidos y bases conjugados.
Fuerte
Fuerte
Exi
gu
o
Exi
gu
o
Débil
Débil
Ionizadoal 100 % en H₂O
Au
me
nta
la f
ue
rza
de
l áci
do
Protonadaal 100 % en H₂O
Au
me
nta
la f
ue
rza
de
la b
ase
BASEÁCIDO
Ácido clorhídrico
Ácido sulfúrico
Ácido nítrico
Ión hidronio
Ácido fosfórico
Ácido fluorhídrico
Ácido acético
Ácido carbónico
Ácido sulfhídrico
Agua
Hidrógeno
Metano
Hidrógeno sulfato
Dihidrógeno fosfato
Bicarbonato
Dihidrógeno fosfato
Anión hidroxilo
Amonio
Agua
Ión nitrato
Ión sulfato
Anión fosfato
Ión acetato
Bicarbonato
Ión bisulfuro
Ión flúor
Ión cloro
Sulfato de hidrógeno
Dihidrógeno fosfato
Carbonato
Ión fosfato
Ión hidróxido
Ión superóxido
Ión hidruro
Ión del metano
Amoniaco
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Sistemas dispersos
Como las concentraciones de los iones H3O+ y OH– en disoluciones acuosas
suelen ser menores que 1 M, sus logaritmos son números negativos. Al
considerar que los números positivos son más cómodos, Sørensen sugirió
cambiar el signo del logaritmo después de hacer el cálculo. Así, introdujo
el símbolo p para indicar el negativo del logaritmo de un número. Por
lo anterior, pH es el negativo del logaritmo de la concentración de iones
hidronio (H3O+):
pH = −log [H3O–+]
De igual manera, el pOH es el negativo del logaritmo de la concentración
de iones hidróxido (OH–).
pOH = −log [OH–]
En la fi gura 2.38 aparecen los valores característicos del pH de varias
disoluciones conocidas. Observa que un cambio en la concentración de
iones [H+] en un factor de 10 ocasiona que el pH cambie en 1. Así, una disolución con un pH
de 6 tiene 10 veces la concentración de H+(ac) que una disolución con un pH de 7.
Lluvia ácidaLa lluvia forma parte del ciclo hidrológico del planeta. Cuando las gotas de lluvia caen, arras-
tran del aire las partículas en suspensión y disuelven los gases presentes en la atmósfera,
algunos de ellos contaminantes, de tal forma que la lluvia se puede considerar como una
mezcla. El pH normal de la lluvia es de alrededor de 6.5; este pH ligeramente ácido es conse-
cuencia de la presencia de dióxido de carbono en el aire, el cual convierte a la lluvia en una
disolución diluida de un ácido débil, el ácido carbónico. Sin embargo, en muchas regiones del
mundo el agua de lluvia es mucho más ácida, y su pH alcanza valores de 3 o menos. Aquella
cuyo pH es inferior a 5.6 se conoce como lluvia ácida.
Cuando la lluvia es ácida, la razón es que hay contaminantes de naturaleza ácida en el aire.
La acidez de este tipo de lluvia puede deberse a la presencia de óxidos de azufre y óxidos
de nitrógeno. Los óxidos de azufre se producen cuando se queman combustibles fósiles con
alto contenido de azufre; por ejemplo, en las plantas generadoras de electricidad. Los óxidos
de nitrógeno son componentes primarios de las emanaciones del escape de los automóviles.
Una parte de la lluvia ácida se debe a la presencia de contaminantes naturales, como
los que provienen de las erupciones volcánicas, que escupen cenizas y gases venenosos
a la atmósfera. Según investigadores del Departamento de Vulcanología del Instituto de
Geofísica (IGf), de la unam, en el caso de México, el promedio de erupciones volcánicas
es de seis por siglo. En México, en 1982 el volcán Chichonal expulsó toneladas de dióxido
de azufre hasta la estratósfera, donde se convirtió en un rocío de ácido sulfúrico. La lluvia
ácida es un problema ambiental importante en el que participan la contaminación del aire
y del agua, y puede tener efectos de consideración en la vida vegetal y en los seres vivos,
así como en otros procesos de las sociedades del planeta. Tus conocimientos de química
pueden ayudarte a colaborar en la solución del problema, pero es muy importante que
construyas una actitud propositiva ante los muchos factores que inciden en este y otros
problemas ambientales.
Evaluación final, p. 50
Actividad de integración,
p. 49
Figura 2.38 Concentraciones de H+ y valores de pH a 25 °C.
Más
áci
do
Neutro
Más
alc
alin
o
pH
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
1x10 ⁸
1x10 ⁹
1x10 10
1x10 11
1x10 12
1x10 13
1x10 14
1x10 ⁵
1x10 ⁴
1x10 3
1x10 2
1x10 1
1(1x10) 0
Concentración de H (M)
1x10 ⁷
1x10 ⁶
Soda cáustica
Blanqueador doméstico
Agua jabonosa
Amoniaco doméstico
Leche de magnesia
Bórax
Agua de mar
Agua
Lluvia
Café negro
Jitomate
Vinagre
Jugo de limón
Ácido gástrico
Ácido de Batería
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