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Programa Físicoquímica 3°

UNIDAD N°1 "La estructura del átomo"

LA ESTRUCTURA DEL ÁTOMO

Partículas subatómicas: Electrones, protones y neutrones.

Niveles de energía electrónicos. Distribución de electrones por nivel.

Tabla periódica. Estructura del núcleo.

Número atómico y número de masa. Isótopos.

UNIONES QUÍMICAS

Unión iónica y unión covalente. Electronegatividad.

Diagramas o estructuras de Lewis.

Nomenclatura de compuestos binarios (óxidos, hidruros, hidrácidos y sales binarias)

UNIDAD N°2 "Las transformaciones de la materia"

LAS REACCIONES QUÍMICAS.

Las reacciones químicas: Su representación y significado.

Reacciones de combustión y óxido – reducción.

Comportamiento ácido – base en sustancias de uso cotidiano.

Indicadores ácido – base naturales.

La energía asociada a las reacciones químicas: reacciones endotérmicas y exotérmicas.

Introducción al concepto de velocidad de reacción.

LAS REACCIONES NUCLEARES.

Reacciones de fisión y fusión. Energía implicada en las reacciones nucleares.

Reactores nucleares. Radiactividad natural.

Aplicaciones tecnológicas de las radiaciones y sus consecuencias.

UNIDAD N°3 "Los intercambios de energía"

INTERCAMBIO DE ENERGÍA TÉRMICA

Calor y temperatura. Interpretación microscópica de la temperatura,

Intercambio de calor por conducción.

Noción de calor específico.

Conservación y degradación de la energía.

Centrales energéticas.

INTERCAMBIO DE ENERGÍA POR RADIACIÓN

Emisión, absorción y reflexión de radiación.

Espectro electromagnético.

Relación entre temperatura y radiación emitida.

La energía del Sol y su influencia sobre la Tierra.

El efecto invernadero.La radiación solar. Usos y aplicaciones.

Las Transformaciones de la Materia

LAS REACCIONES QUÍMICAS


1.- LOS CAMBIOS EN LA MATERIA
    La materia puede sufrir cambios mediante diversos procesos. No obstante, todos esos cambios se pueden agrupar en dos tipos: cambios físicos y cambios químicos.

1.1- CAMBIOS FÍSICOS
    En estos cambios no se producen modificaciones en la naturaleza de las sustancia o sustancias que intervienen. Ejemplos de este tipo de cambios son:

• Cambios de estado.
• Mezclas.
• Disoluciones.
• Separación de sustancias en mezclas o disoluciones.

1.2- CAMBIOS QUÍMICOS
    En este caso, los cambios si alteran la naturaleza de las sustancias: desaparecen unas y aparecen otras con propiedades muy distintas. No es posible volver atrás por un procedimiento físico (como calentamiento o enfriamiento, filtrado, evaporación, etc.)
    Una reacción química es un proceso por el cual una o más sustancias, llamadas reactivos, se transforman en otra u otras sustancias con propiedades diferentes, llamadas productos.
    En una reacción química, los enlaces entre los átomos que forman los reactivos se rompen. Entonces, los átomos se reorganizan de otro modo, formando nuevos enlaces y dando lugar a una o más sustancias diferentes a las iniciales.

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2.- CARACTERÍSTICAS DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

1. La o las sustancias nuevas que se forman suelen presentar un aspecto totalmente diferente del que tenían las sustancias de partida.
2. Durante la reacción se desprende o se absorbe energía:
   • Reacción exotérmica: se desprende energía en el curso de la reacción.
   • Reacción endotérmica: se absorbe energía durante el curso de la reacción.
3. Se cumple la ley de conservación de la masa: la suma de las masas de los reactivos es igual a la suma de las masas de los productos. Esto es así porque durante la reacción los átomos ni aparecen ni desaparecen, sólo se reordenan en una disposición distinta.

3.- ECUACIONES QUÍMICAS
    Una reacción química se representa mediante una ecuación química. Para leer o escribir una ecuación química, se deben seguir las siguientes reglas:

• Las fórmulas de los reactivos se escriben a la izquierda, y las de los productos a la derecha, separadas ambas por una flecha que indica el sentido de la reacción.
• A cada lado de la reacción, es decir, a derecha y a izquierda de la flecha, debe existir el mismo número de átomos de cada elemento.

    Cuando una ecuación química cumple esta segunda regla, se dice que está ajustada o equilibrada. Para equilibrar reacciones químicas, se ponen delante de las fórmulas unos números llamados coeficientes, que indican el número relativo de átomos y moléculas que intervienen en la reacción.
Nota: estos coeficientes situados delante de las fórmulas, son los únicos números en la ecuación que se pueden cambiar, mientras que los números que aparecendentro de las fórmulas son intocables, pues un cambio en ellos significa un cambio de sustancia que reacciona y, por tanto, se trataría de una reacción distinta.
    Si se quiere o necesita indicar el estado en que se encuentran las sustancias que intervienen o si se encuentran en disolución, se puede hacer añadiendo los siguientes símbolos detrás de la fórmula química correspondiente:

• (s) = sólido.
• (metal) = elemento metálico.
• (l) = líquido.
• (g) = gas.
• (aq) = disolución acuosa (en agua).

    Aquí tienes dos enlaces para ver cómo se ajustan las ecuaciones químicas:

• Ajustar reacciones químicas 1 (con ejercicios)
• Ajustar reacciones químicas 2

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4.- CÁLCULO DE LA MASA Y EL VOLUMEN A PARTIR DE ECUACIONES QUÍMICAS
    Las ecuaciones químicas permiten calcular, a partir de una cantidad determinada de alguno de los reactivos y productos que intervienen en una reacción, la cantidad necesaria del resto de los componentes de la misma.

4.1- Cálculos masa - masa
     En este caso nos aprovechamos de la relación que hay entre  cantidad de sustancia (en mol), masa de sustancia y masa molar, tal como indica la relación:

cantidad de sustancia =	masa en gramos	;    n (mol) =	m(g)
	masa molar		M (g/mol)

    Para ver cómo se hace, lee el enunciado del problema siguiente y, a continuación pulsa sobre el gráfico:

Se quiere calcular la cantidad de cloruro de calcio que se obtiene cuando 50 gde carbonato de calcio se hacen reaccionar con la cantidad suficiente de ácido clorhídrico, en una reacción en la que se obtienen, además, agua y dióxido de carbono

4.2- Cálculos volumen - volumen
    La ley de Avogadro dice lo siguiente:

Volumenes iguales de diferentes gases en las mismas condiciones de presión y temperatura, contienen el mismo número de partículas

     Esta ley implica que números iguales (por ejemplo, un mol) de partículas , átomos o moléculas, ocupan el mismo volumen,  lo cual es muy útil para realizar cálculos de volúmenes en aquellas reacciones en las que intervengan gases.
Al igual que en el caso anterior, pulsa sobre el gráfico para ver cómo se plantea y soluciona un problema de este tipo:

    Aquí tienes un par de actividades para practicar ambos tipos de cálculos:

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5.- VELOCIDAD DE UNA REACCIÓN QUÍMICA

       Para saber si una reacción es rápida o lenta, hay que conocer la velocidad a la que transcurre.  Podemos definir velocidad de reacción como la variación de cantidad de sustancia formada o transformada por unidad de tiempo.
    En general, para determinar la velocidad de una reacción, hay que medir la cantidad de reactivo que desaparece o la cantidad de producto que se forma por unidad de tiempo.

5.1- Factores que afectan a la velocidad de reacción
    la velocidad de una reacción se ve influida por una serie de factores; entre ellos se pueden destacar:
Naturaleza de los reactivos
    Se ha observado que según los reactivos que intervengan, las reacciones tienen distinta velocidad, pero no se ha podido establecer aún unas reglas generales.

Concentración de los reactivos
    La velocidad de reacción aumenta con la concentración de los reactivos.  Para aumentar la concentración de un reactivo:

• Si es un gas, se consigue elevando su presión.
• Si se encuentra en disolución, se consigue cambiando la relación entre el soluto y el disolvente.

Superficie de contacto de los reactivos
    Cuanto más divididos están los reactivos, más rápida es la reacción. Esto es así porque se aumenta la superficie expuesta a la misma.

Temperatura
    En general, la velocidad de una reacción química aumenta conforme se eleva la temperatura.

Presencia de catalizadores
    Un catalizador es una sustancia, distinta a los reactivos o los productos, que modifican la velocidad de una reacción. Al final de la misma, el catalizador se recupera por completo e inalterado. En general, hace falta muy poca cantidad de catalizador.
    Los catalizadores aumentan la velocidad de la reacción, pero no la cantidad de producto que se forma.

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6.- IMPORTANCIA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS
    Estamos rodeados por reacciones químicas; tienen lugar en laboratorios, pero también en fábricas, automóviles, centrales térmicas, cocinas, atmósfera, interior de la Tierra... Incluso en nuestro cuerpo ocurren miles de reacciones químicas en cada instante, que determinan lo que hacemos y pensamos.
    De toda la variedad de reacciones posibles, vamos a ver dos: las de neutralización y las de combustión. Pero antes de verlas, es necesario conocer y dominar el concepto de ácido y base.

6.1- Ácidos y bases
    Las características de los ácidos y las bases se resumen en el siguiente cuadro:

Ácidos		Bases
▪Tienen sabor agrio (ácido).		▪Tienen sabor amargo.
▪Reaccionan con ciertos metales, como Zn, Mg o Fe, para dar hidrógeno		▪Reaccionan con las grasas para dar jabones.
▪Reaccionan con las bases para dar sales		▪Reaccionan con los ácidos para dar sales.
Son sustancias ácidas: el ácido clorhídrico (HCl); el ácido bromhídrico (HBr); el ácido nítrico (HNO3); el ácido carbónico (H2CO3) y el ácido sulfúrico (H2SO4), entre otros		Son sustancias básicas el hidróxido de amonio o amoniaco disuelto en agua (NH4OH); y los hidróxidos de los metales alcalinos (LiOH, NaOH, KOH,...) y alcalinotérreos, como el Ca(OH)2, y Mg(OH)2, entre otros

   Para distinguir si una sustancia es ácida o básica, se utiliza la escala de pH, comprendida entre el 1 y el 14:

• Si una sustancia tiene un pH igual a 7, se dice que es neutra, ni ácida ni básica (por ejemplo, el agua pura).
• Si una sustancia tiene un pH menor que 7, tiene carácter ácido.
• Si una sustanica tien un pH mayor que 7, tiene carácter básico.

    En los laboratorios y aquellos otros lugares donde es necesario determinan esta propiedad (como en un análisis de agua potable, por ejemplo), se utiliza unindicador ácido-base, que es una sustancia que presenta un color distinto según sea el pH del medio. Algunos ejemplos se muestran en las dos tablas siguientes:

Indicadores	Color en medio ácido	Color en medio básico
Naranja de metilo	Naranja	Amarillo
Fenolftaleina	Incoloro	Rosa
Azul de bromotimol	Amarillo	Azul
Tornasol	Rojo	Azul

 Para ahorrar tiempo y trabajo, se utiliza mucho el papel indicador universal, que es un papel impregnado con una mezcla de indicadores y que adquiere un color distinto según los distintos pH.

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6.2- Neutralización
    Cuando entran en reacción un ácido (por ejemplo, HCl) y una base (NaOH), el primero se disocia liberando H⁺ y Cl^-, mientras que el segundo se disocia en Na⁺ y OH^-. Los iones Cl^- y Na⁺ se unen formando una nueva sustancia neutra (en este caso NaCl), llamada sal y los iones H⁺ y OH^- se unen por su parte para forman H₂O, es decir, agua.

acido + base         →         sal + agua

6.3.- La combustión

    La combustión es el proceso químico por el cual una sustancia, llamada combustible, reacciona con el oxígeno. En general, esta reacción es fuertemente exotérmica, desprendiéndose energía en forma de calor, luz o sonido.

    Esta reacción no tiene lugar de forma espontánea, sino que, para que comience, ha de aportarse energía a través de una llama o de una chispa eléctrica. Eso si, una vez empezada, continúa por sí sola hasta que se agote el combustible o el oxígeno.

    Es una reacción de gran importancia, tanto en la naturaleza como para la actividad humana, ya que es la forma en que los seres vivos y los artefactos humanos obtienen de forma muy mayoritaria su energía.  Reacciones de combustión particularmente importantes son:

• La combustión del carbono. Su ecuación química es la siguiente: C(s) + O₂(g)  →    CO₂(g). El producto es dióxido de carbono y se desprende energía lumínica y calorífica. Cuando esta reacción tiene lugar con poco oxígeno, la reacción es entonces: C(s) + ½O₂(g)  →    CO(g), formándose monóxido de carbono, un gas venenoso y muy peligroso.
• La combustión de hidrocarburos (compuestos cuya base es carbono e hidrógeno). En esta reacción se forma CO₂ y vapor de agua. Es la reacción que tiene lugar en la combustión de los combustibles fósiles (carbón y petróleo), fuente básica de obtención de energía en nuestra sociedad. Un ejemplo de esta reacción es la combustión del metano:

CH4(g) + 2O2(g)  →    CO2 (g) + 2 H2O (g)

• La combustión de la glucosa en el cuerpo humano. La glucosa, procedente de la digestión de ciertos alimentos o de la transformación de otras sustancias, reacciona con el oxígeno presente en las células, produciendo CO₂, agua y liberando energía. Esta reacción es lo que se conoce como respiración, cuya importancia no es necesario recordar.

    Un punto importante a destacar, es que los productos de la combustión, fundamentalmente el dióxido de carbono, tienen una gran incidencia cuando son liberados al medio ambiente, ya que este gas es el que produce mayor efecto invernadero.

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Reacciones nucleares. Origen de los elementos. Fisión y Fusión nuclear. Contaminación radioactiva. Además de las radiaciones cósmicas que desde el exterior llegan a la Tierra, nos encontramos que aquí mismo existen materiales que, de manera natural, emiten radiaciones. Esto nos lleva a un cuarto tipo de cambio en los materiales: las reacciones nucleares.
En las rocas, suelos y cuerpos de agua se encuentran minerales que están constituidos por elementos químicos que emiten radiactividad. Todos estos elementos, al emitir radiaciones, se van transformando en otros que pueden ser también radiactivos. Aunque parece extraño, los organismos están constituidos por algunos isótopos que son radiactivos. En el hígado tenemos cobalto 60, en los huesos se encuentra radio 226. Rocas Los científicos han llegado al convencimiento de que existe una fuerza inmensa que no hace posible la repulsión de los protones y los mantiene unidos; a esta fuerza le han asignado el nombre de energía nuclear. Los procesos de fisión y fusión nuclear demuestran su existencia.
La energía nuclear es aquella que se libera cuando se dividen ciertos tipos de átomos
En los reactores nucleares ocurre esto, pero en condiciones sumamente controladas; en cambio en las armas nucleares no hay control, de allí su gran poder destructivo.Haz click en el siguiente botón para que visualices el siguiente mapa conceptual, y posteriormente observa el mapa conceptual del átomo
Al hablar del núcleo del átomo se dijo que la carga de electricidad positiva de los protones está equilibrada por la carga negativa de los electrones que giran a su alrededor a cierta distancia; eso es muy comprensible y está de acuerdo con el modelo que hemos aprendido acerca de la naturaleza eléctrica de la materia. Hay algo que resulta difícil de entender, es el hecho de que los protones se encuentren reunidos en un espacio extraordinariamente pequeño y aparentemente no se rechacen entre sí, como ocurre entre cargas iguales. Hay una fuerza increíblemente grande, poderosa, que mantiene unidos a esos protones, es la energía nuclear. Las Reacciones Nucleares son aquellas donde se altera la composición de los núcleos atómicos liberándose enormes cantidades de energía.
Características de las reacciones nucleares •  Las reacciones nucleares son producidas por partículas nucleares. •  Las reacciones nucleares causan transmutación de los elementos, conversión de un átomo a otro. •  Las reacciones nucleares ocurren con cambios de energía que superan a las de las reacciones químicas. •  Las reacciones nucleares son independientes de las condiciones ambientales. •  La reactividad nuclear de un elemento es independiente de la forma en que se halle, bien sea libre o formando compuestos. Estabilidad de un núcleo atómico. La estabilidad de un núcleo atómico depende del número de neutrones y protones que tenga, es decir, relación neutrón / protón. Para que un núcleo se mantenga estable el número de neutrones debe ser igual al número de protones; es decir, que la relación neutrón / protón sea 1 o mayor que 1; estos se llaman núcleos estables o isótopos estables. En la representación de reacciones nucleares el número de protones en un núcleo, llamado número atómico, aparece en el extremo inferior izquierdo y el número de neutrones y protones, llamado número másico, aparece en el extremo superior izquierdo. El número de neutrones se obtiene restándole al número másico el número atómico. Cuando un núcleo tiene mayor número de protones que de neutrones, prevalecen las fuerzas columbianas de repulsión sobre las fuerzas nucleares o interacciones fuertes que mantienen unidos los nucleones, de modo que el núcleo o isótopo inestable sufre un proceso de desintegración espontánea con la emisión de partículas radiactivas hasta formar núcleos estables.
Fisión y fusión nuclear Fisión nuclear Es un proceso de desintegración radiactiva de un núcleo inestable para producir núcleos menos pesados y más estables con la liberación de una enorme cantidad de energía.
Se logra mediante el bombardeo con partículas, generalmente neutrones, aceleradas con aparatos especiales tales como el ciclotrón, betatrón y sincrotón, que les proporcionan la energía cinética mínima necesaria como para que, al sufrir colisión con el núcleo, ocurra la ruptura, originando fragmentos atómicos y neutrones capaces de repetir el mismo proceso con otros átomos, produciendo de esta manera una reacción en cadena. Enrico Fermi La primera fisión nuclear la logró el eminente científico italiano Enrico Fermi en el año 1.935, al bombardear uranio con neutrones térmicos. La liberación de energía provocada por el proceso de fisión nuclear constituye la base de las bombas atómicas y de los reactores nucleares.
Fusión nuclear Es una reacción termonuclear en la que dos núcleos livianos (núcleos de átomos de elementos de masa pequeña) se combinan, a temperaturas extremadamente elevadas, para dar origen a nuevos elementos con masas mayores y liberación de enormes cantidades de energía.
La fusión controlada de isótopos de hidrógeno parece ser una fuente de energía muy prometedora, por las siguientes ventajas: •  El combustible utilizado, deuterio, es abundante, ya que está contenido en todas las aguas de la naturaleza. •  El proceso es muy limpio, ya que no elimina desechos radiactivos, por lo que no constituye una amenaza para el ambiente.
La bomba termonuclear no tiene límites de masa crítica y poder destructivo, la inmensa cantidad de energía que se desprende se mide, no en kilotones, como la bomba de la fisión nuclear, sino en cientos de megatones. En la fisión y fusión nuclear sólo se altera la composición del núcleo; no así, la distribución de los electrones. La enorme cantidad de energía desprendida en el transcurso de estos procesos proviene de la masa de las partículas que intervienen en la reacción; es decir, una parte de la materia fisionable o fusionable se transforma en energía.                                            La primera bomba atómica detonada en el desierto de Los Álamos en 1945 liberó una potencia                                                            de 20 kilotones
Radiactividad Es el producto de la desintegración parcial de los átomos de un cuerpo radiactivo, átomos que, a través de sucesivas y rapidísimas transformaciones y con gran desarrollo de calor, se convierten en otros de peso atómico más bajo. Este fenómeno fue observado por primera vez por Henri Becquerel en 1.896, cuando accidentalmente descubrió que los compuestos de uranio (U, Z = 92) producían emisiones radiactivas.	Henri Becquerel 1852-1908
Los fenómenos de radiactividad pueden ocurrir de manera natural o de manera artificial, es decir, por la intervención humana. Radiactividad natural Es el proceso mediante el cual los núcleos de ciertos elementos radiactivos pesados inestables sufren desintegración espontánea, con formación de nuevos núcleos correspondientes a nuevos elementos y liberación de energía. Sometiendo estas radiaciones a cambios eléctricos, se descubrió que estaban conformadas por tres tipos de rayos, que fueron identificados con las tres primeras letras del alfabeto griego:
Los rayos Alfa: son idénticos al núcleo de helio (He), formado por dos protones y dos neutrones. Estos rayos pueden ser detenidos por la piel o por una hoja de papel; tienen carga positiva. Los rayos Beta: son semejantes a los electrones, tienen mayor penetración que los alfa, penetran la piel, pero son detenidos dentro del cuerpo; asimismo son detenidos por láminas metálicas. Son de carga negativa. Los rayos Gamma: son una forma de radiación electromagnética. Su poder de penetración es tan grande que pueden atravesar una capa de concreto de dos metros de espesor; son dañinos para los seres vivos y por esta razón hay que tener mucho cuidado al manipularlos.
Estas radiaciones, no pueden verse, escucharse, tocarse u olerse; pero pueden detectarse a través de una variedad de instrumentos. Radiactividad artificial Es el proceso mediante el cual se logra la ruptura de los núcleos de átomos estables mediante el bombardeo con partículas ligeras aceleradas (proyectiles subatómicos), dando origen a la formación de los nuevos núcleos correspondientes a nuevos elementos.
Emest Rutherford (IBM World Book 99)	La primera transmutación artificial la logró el científico inglés, Ernest Rutherford, en el año 1.919, al bombardear núcleos de átomos de nitrógeno con partículas alfa a gran velocidad. En esta reacción se produjo oxígeno isotópico y un protón. La ecuación de esta reacción nuclear es:
Los principales yacimientos de minerales radiactivos en Venezuela se encuentran, sin explotar, en el estado Mérida. Usos específicos de la energía nuclear El hombre, urgido de la necesidad de enfrentar el problema energético de los combustibles tradicionales: carbón y petróleo, ha comenzado a darle múltiples usos a la energía nuclear(Observa el diagrama)
Peligros de la energía nuclear El uso de la energía nuclear debe ser muy cuidadoso debido a que la exposición de los seres vivos a ciertos niveles de radiaciones son perjudicial para la salud. Los descubridores e investigadores de los elementos radiactivos de principios de siglo jamás sospecharon los riesgos de trabajar en contacto con las radiaciones. La bomba atómica de Hiroshima es un ejemplo de su peligrosidad. Peligros de la energía nuclear  La nube negra indica indica el grado la radiación del 27abril en Chernobyl, enseguida después del accidente. Los reactores nucleares son un peligro potencial. Un accidente ocurrió en 1.986 en Chernobyl, en la antigua Unión Soviética, cuando se escapó una nube que contenía productos radiactivos, cuyos efectos llegaron a Europa, Asia y Estados Unidos. Contaminación radiactiva Los efectos biológicos de las radiaciones en el hombre y el resto de los seres vivos, varían desde simples quemaduras o interrupción de ciertas funciones fisiológicas hasta daños graves. Existen evidencias de que las radiaciones provocan alteraciones genéticas o mutaciones en la descendencia de los seres vivos. Contaminación Radiactiva Debido a la alta peligrosidad de estos materiales y de los desechos radiactivos, surgió la necesidad de establecer un conjunto de regulaciones y normas a fin de evitar la contaminación. Para ello se crearon organismos nacionales e internacionales entre los que se cuentan: Organismos nacionales: Centro para los Usos Pacíficos de la Energía nuclear y la Paz, UCV y la Sociedad Nuclear de Venezuela. Organismos Internacionales: Comisión Internacional de Energía Atómica y la Organización Mundial de la Salud.
Una forma de contaminación lo representa la lluvia radiactiva. Una explosión nuclear de una bomba o de la cabeza de un misil es una de las amenazas que caracteriza a nuestra era. Las armas nucleares tienen un enorme potencial destructor al poder generar reacciones capaces de producir temperaturas superiores a un millón de grados y destruir ciudades enteras. Independientemente de los efectos térmicos y mecánicos de las bombas nucleares, comunes a otros tipos de bombas, una de sus características peculiares es la de la producción de isótopos radiactivos. La explosión inicial consiste en una reacción nuclear de fisión en cadena instantánea e incontrolada, que comienza en la cámara de detonación de la bomba. Para producir esta reacción son necesarios materiales fisibles altamente enriquecidos. Al producirse la explosión, se libera con ella una cantidad de radiactividad, consecuencia de la escisión de los átomos en el proceso de la fisión, que se difunde a través del ambiente. Tipos de lluvia radiactiva.