CienCias naturales

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| Patricia Alberico | Alejandra Florio | Marcela Gleiser | | Sofía Martínez | Federico Taddei | Roberto Venero | | Colaboración especial: Gabriel Gellon y Diego Golombek |

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1La materia y sus propiedades

Contenidos: Propiedades de la materia: generales y específi cas • Constitución de la materia • Modelos

atómicos • Átomos y moléculas • Cambios físicos y cambios químicos • Modelo corpuscular.

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[ ][ ][ ][eSTUdIO DE CASo]

¿Qué es esa sustancia?El oficial novato entró nuevamente en la es-

cena del crimen y encontró restos de un polvo blanco, cerca de las tazas de té.

—Jefe, ¿qué podrá ser esto: quizá… veneno?—Buena observación, Ramírez —replicó el

oficial al mando—. Probablemente no es nada y casi seguro no es arsénico, pero envíe una mues-tra al laboratorio para su identificación.

Un polvo blanco puede ser muchas cosas, ha-rina, bicarbonato de sodio, azúcar impalpable o sal, drogas ilegales o arsénico blanco, un pode-roso veneno. ¿Pero cómo hacen en el laborato-rio para determinar la identidad de una muestra, para saber de qué sustancia se trata?

Todas las pruebas de laboratorio consisten básicamente en estudiar las propiedades de la muestra y compararlas con las propiedades de sustancias conocidas. Por ejemplo, ¿es sólido, lí-quido o gaseoso a temperatura ambiente?, ¿cuál es su color?, ¿se disuelve en agua?, ¿en alcohol?, ¿qué densidad tiene?, ¿qué punto de fusión tie-ne?, ¿se parece en algunas de estas caracterís-ticas a alguna sustancia conocida? Además, es muy útil estudiar las propiedades químicas de la muestra, es decir, cómo se comporta fren-te a otras sustancias. Si el polvo blanco burbu-jea con ácido, es probable que se trate de una

sustancia alcalina, como el bicarbonato, que al reaccionar con un ácido forma una sal y libera un gas. Si al mezclarla con yodo se vuelve azul oscuro, es posiblemente harina u otra sustan-cia que contenga almidón, que reacciona con el yodo de esta manera. Vemos que las propiedades de los materiales resultan útiles para determinar su presencia en distintas mezclas y, en este caso, para saber si fueron instrumentos de un crimen.

El arsénico (en realidad, óxido de arsénico) fue durante mucho tiempo difícil de detectar en cantidades pequeñas y usado frecuentemente como veneno en homicidios. Lo que el oficial a cargo de esta investigación sabe y el novato quizá no es que desde la invención de un test en 1836, llamado de Marsh, es muy fácil detectar peque-ñas cantidades de arsénico en líquidos y cadáve-res, con lo que los homicidas ya no optan por él.

* Si ustedes trabajaran en el laboratorio fo-rense al que llega la muestra y sospecharan que se trata de una sustancia conocida que se di-suelve en alcohol pero no en agua y que hierve a 70 ºC, ¿cómo lo comprobarían? Mencionen una propiedad que tengan en común el agua y el mercurio y una propiedad que los diferencie.

* ¿Cómo describirían las propiedades de una sustancia como el aceite de cocina? ¿Lo com-pararían con otros materiales para hacerlo? ¿Con cuáles?

›› observar e interpretar fenómenos naturales. Rela-ción entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el am-biente.

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La materia y las propiedades de los materialesTodos los materiales que nos rodean, como nuestra ropa, los alimentos que ingeri-

mos, los útiles que usamos y hasta el aire están compuestos por materia. La materia puede estar en diferentes estados: sólida, como el grafito de las minas de

los lápices; líquida, como el agua de la canilla, y hasta gaseosa, como el oxígeno que res-piramos. Los distintos materiales que existen están compuestos por materia que tiene distintas características. Algunos materiales son fáciles de quemar, otros se derriten a bajas temperaturas y algunos ocupan mucho espacio. Todas estas son propiedades de la materia que los conforman.

A medida que el ser humano empezó a conocer las propiedades de los materiales que hay en la naturaleza, comenzó a combinarlos y a elaborar nuevos materiales con nuevas propiedades. El hierro, por ejemplo, al ser mezclado con carbono forma un ma-terial más resistente que estando puro.

El conocimiento de las propiedades de los materiales también permite elegir el ma-terial más adecuado a la hora de fabricar un objeto. Hace muchos años las muñecas te-nían la cara y las extremidades hechas de porcelana, un material muy frágil. Por eso, en la actualidad, para hacer muñecas se utilizan variedades de plástico que son irrompi-bles y duran más tiempo.

Propiedades generales

Toda la materia, sin importar el tipo de material del que forme parte, tiene una masa y un volumen. Estas propiedades que son compartidas por todos los materiales se lla-man propiedades generales.

La masa es la cantidad de materia que contiene un objeto, se la puede determinar mediante una balanza y se la expresa en uni-dades como el gramo (g), el miligramo (mg) o el kilogramo (kg).

El volumen es el espacio ocupado por un material o por un objeto y se expresa en uni-dades como el decímetro cúbico (dm3) o el centímetro cúbico (cm3), entre otras. Aunque estos marcadores estén hechos con los

mismos materiales, al ser de distinto tamaño tienen distinta masa y volumen.

hierro acero El acero se utiliza para reemplazar el hierro ya que es un material más resistente y es más difícil que se oxide.

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Propiedades específicasLas propiedades generales de la materia no

sirven para diferenciar un material de otro. Sa-ber que un cuerpo tiene una masa de 1 kg o un volumen de 8 cm3 no es suficiente para determi-nar de qué material es el objeto. Existen propie-dades llamadas específicas que son propias de cada material y que sirven para reconocerlos. El punto de ebullición, el punto de fusión y la den-sidad, son ejemplos de propiedades específicas.

Punto de ebullición y punto de fusiónSi se calienta un recipiente con agua pura, al

cabo de unos minutos esta hierve. Si en ese mo-mento se mide la temperatura, el termómetro marcará 100 °C. Esta temperatura, a la que toda el agua pura pasa del estado líquido al gaseoso se denomina punto de ebullición. Cada material tie-ne un punto de ebullición característico que lo identifica.

La temperatura a la que un material pasa del estado sólido al estado líquido se llama punto de fusión y también es una propiedad específica. Tanto el punto de ebullición como el de fusión

son independientes de la cantidad de material. 2 g de agua hierven y se funden a la misma tempe-ratura que un 1 kg de agua. Por eso, a estas pro-piedades se las llama constantes físicas.

La densidadLa cantidad de material que entra en un vo-

lumen determinado es una propiedad específica y se llama densidad. Se mide en gramos por cen-tímetro cúbico (g/cm3). La densidad del plomo es de 11,35 g/cm3 y la del agua es de 1 g/cm3. Un material es más denso cuanta más cantidad entra en un determinado volumen.

La densidad cambia de acuerdo al estado. El hielo, por ejemplo, es menos denso que el agua lí-quida. Eso hace que flote.

1. ¿Cuál es la diferencia entre una propiedad gene-ral y una específica?2. Un estudiante llenó con agua pura dos vasitos con distinta capacidad, uno de 200 ml y el otro de 100 ml. Los metió dentro del freezer.

a. ¿El agua de cada recipiente habrá tardado lo mismo en congelarse? ¿Por qué? ¿Se habrán congelado a la misma temperatura? ¿Por qué?

3. Alguna vez habrán puesto aceite en un recipien-te con agua, ¿cuál creen que es más denso, el acei-te o el agua? ¿Por qué?

ACtIVIDADES

La densidad es la cantidad de materia por unidad de volumen que tiene un material.

eSTUdIO DE CASo [ ]Investiguen el punto de fusión del azúcar, la sal de mesa y el arsénico. ¿Se podría usar un ter-mómetro de los que tienen en sus casas para identificarlos? ¿Por qué?

›› Describir y explicar fenómenos químicos utilizando teorías y observaciones personales

[[ ]]

Las constantes físicas, como el punto de fusión o ebulli-ción, son independientes de la cantidad de material.

29 ºC 29 ºC

11,35 g/cm3 1,50 g/cm3 0,90 g/cm3

plomo carbón hielo

1 cm3 1 cm3 1 cm3

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Cómo está constituida la materiaTodos los materiales están constituidos por materia, pero, ¿cómo está formada la mate-

ria? Hace unos 2.600 años, el filósofo griego Empédocles (ca. 495/490 a. C.- ca. 435/ 430 a. C.) propuso que la materia estaba conformada por cuatro elementos básicos: el agua, la tierra, el

aire y el fuego. En el siglo v a. C., Aristóteles retomó estas ideas. Para él, las plan-tas estaban formadas en mayor proporción por tierra y agua que por los otros ele-mentos. Estas ideas también formaron parte de otras culturas, como la de mu-chos pueblos originarios de América.

Las ideas atomistas

Existieron otros filósofos que se hicieron preguntas respecto de la materia. Uno de ellos fue Demócrito (460 a. C.-370 a. C.), quien junto con su discípulo Leucipo (ca. 460 a. C.-ca. 370 a. C.) tenía ideas opuestas a las aristotélicas.

Se dice que un día mientras caminaba por la playa Demócrito pensó que la materia estaba constituida por pequeñas partículas del mismo modo que la pla-ya estaba formada por pequeños granos de arena. Así propuso que la materia es-taba constituida por partículas muy pequeñas, tanto que eran invisibles a simple vista y que además no se las podía dividir en partes menores. Las denominó áto-mos.También postuló que entre los átomos había huecos en los cuales no había ninguna clase de materia, es decir, había vacío. Por este motivo, sostenían que la materia era discontinua.

Las ideas de Demócrito y Leucipo no tuvieron aceptación ni en su época ni durante muchos siglos ya que se creía firmemente en la teoría de los cuatro ele-mentos. Pero en la ciencia nunca está dicha la última palabra.

Los atomistas sostenían que toda la materia estaba constituida por partículas indivisibles entre las que había vacío.

Aristóteles conside-raba que todos los seres y los objetos estaban consti-tuidos por una combinación de cuatro elementos: agua, tierra, aire y fuego.

Demócrito fue uno de los primeros en proponer la existencia de los átomos.

Los atomistas sostenían que toda la materia estaba constituida por partículas indivisibles entre

Demócrito fue uno de los primeros en proponer la existencia de los existencia de los átomos.

roca

átomos

planta

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El inglés John Dalton (1766-1844), había defen-dido las ideas de Demócrito acerca de la compo-sición de la materia. Los experimentos de Proust confirmaron sus hipótesis. Publicó cuatro supues-tos fundamentales sobre la materia: toda la materia está compuesta por átomos, indivisibles y sólidos (es decir, sin huecos en su interior); los átomos son indestructibles y se mantienen inalterados duran-te una reacción química; existen distintos tipos de átomos, cada uno es de un elemento químico dis-tinto, y, por último, cada átomo tiene un peso ató-mico característico.

En 1913, el danés Niels Bohr (1885-1962) propu-so un modelo en el que los átomos están compues-tos por un núcleo central que contiene partículas de carga eléctrica positiva: los protones. Alrededor del núcleo, se encuentran los electrones (partículas de carga eléctrica negativa), girando en órbitas. Más tarde se descubrió la existencia de partículas sin car-ga en el núcleo, los neutrones.

De acuerdo con el modelo actual, los átomos no son partículas indivisibles, como Dalton imaginó, sino que están compuestos por partículas menores: los protones, los electrones y los neutrones.

Los científicos razonaron que átomos de distin-to tipo se podían asociar y formar moléculas y, de este modo, conformar toda la materia del Universo.

Los átomos y las moléculasSegún el modelo aristotélico, si se dividiera un

material, los elementos que lo componen podrían estar en relaciones de proporción en las que no es-tén representados por números enteros, por ejem-plo, 0,56 partes de aire cada 0,30 partes de fuego.

En 1774, el inglés Joseph Priestley (1733-1804) descubrió que el aire está conformado por distintos

materiales entre los cuales se encuentra el oxígeno, es decir, no era un material fundamental, ya que es-taba formado por otros materiales. Por su parte, el químico Joseph Proust (1754-1806) demostró que “las partes” que forman una sustancia siempre es-tán en números enteros de elementos que perma-necen constantes, incluso cuando la sustancia se combina con otras.

¿Se pueden dividir en fracciones los elementos que forman la materia?

HIPÓTESIS: la cantidad de cada elemento que forma una sustancia es un número entero y no una fracción. PREDICCIÓN: si se analiza la composición de dife-rentes cantidades de cloruro de sodio, se observará que las cantidades de cloro y sodio que las forman siguen una proporción constante.

PROCEDIMIENTO: Proust descompuso distintos minerales de cloruro de sodio.

RESULTADOS: Proust observó que la proporción de cloro y de sodio presente en cualquier mues-tra de cloruro de sodio era 1:1, por ejemplo. No encontró ningún compuesto cuya proporción de elementos fuera 1,5: 1, o cualquier otro decimal.

CONCLUSIÓN: luego de realizar sus experimentos, Proust concluyó que la materia tiene que estar cons-tituida por unidades discretas, indivisibles. La teoría atómica empezaba a tomar forma nuevamente.

›› Interpretar experimentos históricos.

EXPERIMENTOS EN PAPEL[ ][[[ ]]]

1. ¿Qué pista dio el experimento de Proust con respecto a la teoría atómica?

2. ¿Cómo imaginaban los científicos del siglo xx que estaba formada la materia?

ACtIVIDADES

Modelo atómico de Bohr en el que se incluyen los neutrones.

núcleo

neutronesprotoneselectrones

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Los cambios de la materiaEn la materia ocurren cambios, algunos los vemos en lo inmediato como cuando

se enciende un fósforo o se derrite un cubito de hielo. Otros, como la formación de un glaciar, tardan miles de años en producirse. Existen cambios que se dan naturalmente, como el crecimiento de una planta, y otros que son realizados por los humanos, como la extracción de azúcar de la caña.

En algunos casos, después de un cambio, el material sigue estando conformado por los mismos componentes; pero en otros casos, después del cambio, aparece un material nuevo, formado por nuevos componentes.

Los cambios físicos

Si rompemos una hoja de carpeta, la celulosa con que se fabrica el papel sigue sien-do celulosa y está presente en cada uno de los trocitos que quedan. Si cambiamos de lu-gar un florero, la cerámica con que está hecho este objeto no deja de ser cerámica. Estos cambios, en los cuales el material sigue siendo el mismo se denominan cambios físicos.

Cuando se prepara una ensalada de frutas, se cortan las frutas en trozos y luego se mezclan. Los componentes de cada trozo siguen siendo los mismos de la fruta original y entera. Lo mismo ocurre cuando se agrega sal al agua para cocinar. La sal y el agua se mezclan, pero siguen siendo los mismos materiales. En los cambios físicos, es posible volver a obtener los materiales tal como estaban inicialmente. En el ejemplo del agua y la sal, se puede evaporar toda el agua y en el fondo del recipiente quedará la sal. El va-por de agua puede recuperarse y enfriarse para que vuelva al estado líquido. Así am-bos materiales vuelven al estado inicial, antes de ser mezclados. Cuando se prepara una mezcla ocurre un cambio físico.

Cuando se cortan verduras para preparar una ensalada, las sustancias que constitu-yen las verduras no cambian.

CIEnCIA eN ACCIÓN [ ]La sal para evitar accidentes

Si se agrega sal a un poco de hielo ocurre un cam-bio físico, ya que tanto el hielo como la sal no cam-bian. Sin embargo, se produce una disminución del punto de fusión del hielo. Por eso, en los lugares donde los inviernos son muy fríos, se suele esparcir sal sobre la nieve de las carreteras. Así se evita que se derrita y haga patinar a los autos.

›› Relación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente.

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Los trozos del vaso roto siguen siendo de vidrio. La plastilina solo cambió de forma. Estos son cambios físicos.

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Los cambios de estadoLos materiales se presentan en tres estados: só-

lido, líquido y gaseoso. Estos estados pueden cambiar dependiendo de

la temperatura. Por ejemplo, cuando se saca un cu-bito de hielo de la heladera, el agua en estado sólido, recibe calor del ambiente, aumenta su temperatura y se empieza a derretir hasta transformarse en agua líquida. Ha ocurrido un cambio de estado sólido a líquido, pero el material sigue siendo agua.

Del mismo modo, cuando se calienta el agua contenida dentro de un jarro hasta que hierva, el vapor que se observa sigue siendo agua, solo que ahora está en estado gaseoso. Es decir, los cambios de estado son cambios físicos.

Algunos cambios físicos, toman energía del me-dio, es el caso de los pasajes de sólido a líquido, de líquido a gas o de sólido a gas. Los cambios inver-sos liberan energía al ambiente, es el caso de los pa-sajes de gas a líquido, de gas a sólido y de líquido a sólido.

Algunos cambios físicos se producen sin que haya un cambio de estado. Por ejemplo, cuando un gas recibe calor se dilata, es decir, aumenta su volu-men y se contrae si pierde calor. Lo mismo ocurre con los metales y muchos materiales de construc-ción, por eso es necesario tener en cuenta el espacio que los materiales ocuparán cuando se calienten.

1. Cuando llueve o se baldea un patio un día soleado, al cabo de un tiempo este se seca.

a. ¿Por qué ocurre esto?b. ¿Ocurrió un cambio físico? ¿Por qué?

2. Den dos ejemplos de cambios que ocurren natural-mente, de cambios que son realizados por los huma-nos y de cambios de estado del material, diferentes a los que se mencionan en el texto.

ACtIVIDADES

Cambio Nombre Energía (calor)

De sólido a líquido fusión toma

De líquido a sólido solidi� cación libera

De líquido a gas vaporización toma

De gas a líquido condensación libera

De sólido a gas volatilización toma

De gas a sólido sublimación libera

Entre las baldosas se pone un mate-rial que se dilata con el calor.

baldosas

material flexible

El ciclo del agua es un ejemplo de transformaciones o cambios físicos, ya que el agua pasa por los tres estados, pero en ningún momento deja de ser agua. El ciclo del agua es un ejemplo de transformaciones o cambios físicos, ya que el

evaporación

evaporación

fusión

lluvias

condensación

nieve(solidificación)

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el modelo corpuscular Actualmente, todos los científicos coinciden en que la materia está formada por átomos.

Estos átomos, muchas veces se agrupan formando moléculas. También pueden tener car-ga eléctrica, en ese caso son iones y se unen con otros iones formando compuestos iónicos. A los átomos, moléculas o iones que forman los materiales se los llama de manera genérica partículas o corpúsculos.

Para estudiar ciertos fenómenos, no es necesario saber en detalle cómo son los átomos, moléculas o iones. Se los puede representar mediante un modelo simplificado en el que en general se los describe como puntos o esferas que interactúan entre sí. Esta simplificación se usa para explicar ciertas propiedades de la materia que no dependen de los detalles de la es-tructura interna de los átomos o de las moléculas. Este es el modelo corpuscular o modelo de partículas y es útil para entender muchos fenómenos.

Entre las partículas, existen fuerzas de atracción y fuerzas de repulsión. Estas fuerzas son las causas de las interacciones entre las partículas que se pueden representar con el mode-lo corpuscular.

Los estados de agregación y el modelo corpuscular

El modelo de partículas es muy útil para explicar los estados de agregación. En cada estado de agregación en el que se encuentran los materiales, el comportamiento de las partículas que lo forman es distinto. También lo son las fuerzas de interacción entre ellas. Si las partículas se mueven poco, prevalecen las fuerzas de atracción entre ellas y estas permanecen cerca. Si se mueven más rápido y las fuerzas disminuyen, pueden empezar a alejarse unas de otras. Si se mueven más rápido aun, se alejan más.

En los sólidos, las fuerzas de atrac-ción son muy fuertes. Las partículas se mueven poco. Esto hace que se acerquen y que estén muy juntas. Por este motivo, los sólidos tienen una forma y un volumen determi-nados. Además, no se los puede comprimir. Esto ocurre porque si se los presiona, al no haber espa-cio sufi ciente entre las partículas, el material se rompe.

En los líquidos, las fuerzas de atrac-ción son grandes, pero no tanto como para que las partículas estén tan juntas. Además, las partículas se desplazan unas sobre otras. Los líquidos tienen un volumen propio y adquieren la forma del recipiente que los contiene. El hecho de que las partículas se desplacen de este modo explica por qué los líquidos fl uyen al volcarse.

En los gases, las fuerzas de atracción son pequeñas. Por eso, las partícu-las están muy separadas y se mue-ven muy rápido, chocan entre sí y contra el recipiente en el que es-tén. Así, ejercen presión. Como hay espacio entre las partículas, los ga-ses se pueden comprimir. Además, como las partículas se mueven por todo el espacio disponible, los ga-ses fl uyen sin inconvenientes.

sólido líquido gaseoso

partículas partículas partículas

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Los cambios físicos y el modelo corpuscular¿Por qué la manteca se derrite? ¿Cómo se mezclan la sal y el agua? ¿Por qué el agua

se evapora? Estas preguntas se pueden responder si se tiene en cuenta el modelo cor-puscular o de partículas. Cuando un material se calienta como, por ejemplo, el agua, las partículas que lo constituyen comienzan a moverse más rápido. Así, las fuerzas de atrac-ción entre ellas disminuyen y de este modo las partículas tienen la posibilidad de mo-verse más y “rodar” unas sobre otras. Cuando esto ocurre, el agua pasa al estado líquido. Si se continúa entregando calor al agua, la velocidad de las partículas aumenta al igual que las fuerzas de repulsión, las partículas se alejan y el líquido se evapora.

De lo contrario, si un material pierde ca-lor, sus partículas comienzan a moverse más despacio, esto hace que aumentan las fuerzas de atracción que existen entre ellas. Al au-mentar estas fuerzas, las partículas se acer-can cada vez más. Esto es lo que ocurre en el pasaje de gas a líquido y de líquido a sólido.

Cuando se produce una mezcla, al igual que en los cambios de estado, también suce-den cosas que pueden explicarse con el mo-delo de partículas. Si se mezcla azúcar y agua, por ejemplo, las partículas de azúcar se meten en los huecos vacíos que hay entre las partículas del agua. De este modo, se pro-duce una mezcla perfecta llamada solución.

1. Expliquen en sus carpetas las siguientes situacio-nes, utilizando el modelo de partículas:

a. un globo se calienta al sol y se “hincha”.b. Se mezclan agua y alcohol.

2. La naftalina es un material que se utiliza como

antipolillas, en forma de pastillas. Se coloca sólida al terminar el invierno y al año siguiente solo queda su aroma en la ropa.

a. ¿Qué cambio de estado ha ocurrido?b. Explíquenlo mediante el modelo de partículas.

ACtIVIDADES

CIEnCIA eN LA NeT [ ]En el siguiente sitio de Internet, podrán obser-var mediante simuladores cómo se explican los estados de agregación y los cambios de estado según el modelo de partículas: http://goo.gl/0xnsj Luego de realizar las simulaciones que aparecen en cada pestaña, resuelvan las actividades finales del sitio.

›› uso de tIC en la búsqueda y análisis de información.

[[ ]]sólido líquido gaseoso

En los cambios en los que se gana calor, las partículas aumentan su rapidez y se alejan (A). En los que se pierde calor, se mueven más lento y se acercan (B).

fusión evaporaciónA B

Cuando se forma una solución, las partículas de uno se meten en los huecos vacíos entre las partículas del otro.

azúcar

partículas de azúcar

partículas de aguaagua

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Las transformaciones químicasSi quemamos una hoja de papel, cuando termine de arder, observaremos que el pa-

pel ya no está y en su lugar aparecen cenizas. Además, veremos que sale humo. Esto ocurre porque la celulosa con que se fabrica el papel deja de ser celulosa y se transfor-ma en cenizas, en gas dióxido de carbono y en vapor de agua.

Si preparamos caramelo, en un primer momento veremos que el azúcar comienza a derretirse, es decir, se produce un cambio físico. Pero, si continuamos calentando, ob-servaremos que el color transparente se vuelve marrón oscuro. El azúcar original dejó de ser azúcar y se carbonizó, por eso la coloración marrón oscura. Estos cambios en los cuales la sustancia se transforma en otra diferente se denominan cambios químicos.

Existen otros cambios químicos en los cuales el fuego no interviene. Así, por ejemplo, cuando se toma un antiácido para el estómago, muchas veces la pastilla debe disolverse en agua. Al hacerlo, se observa la formación de burbujas, es decir, la efervescencia. Estas burbujas indican que se está formando una nueva sustancia gaseosa a partir de la combi-nación de los sólidos de la pastilla con el agua líquida. Lo mismo ocurre si se mezclan bi-carbonato de sodio y vinagre. El bicarbonato de sodio es un tipo de sustancia que se llama básica o alcalina y el vinagre es áci-do. Cuando se juntan una base y un ácido, se produce una reacción quí-mica que da como resultado nuevas sustancias como sales y gases.

Los cambios químicos pueden ser una herramienta muy útil para identificar sustancias desconocidas. Por ejemplo, el almidón reacciona con yodo y da como resultado una sustancia: almidón de color azul os-curo. Si se quiere comprobar si una sustancia es básica, se puede mezclar con ácido y observar el resultado, si la solución disminuye su acidez, la hipótesis era correcta.

Las sustancias que forman parte de los ingredientes de la torta se transforman en otras una vez que la torta se cocina. Sufren cambios químicos.

Si se mezclan bicarbo-nato de sodio y vinagre, se produce un cambio químico en el cual se forma un gas. Esto se comprueba al obser-var la formación de burbujas.

eSTUdIO DE CASo [ ]Indiquen qué cambios químicos se mencio-nan en la apertura y expliquen por qué lo son. ¿Cómo harían para determinar si la sustancia misteriosa es bicarbonato de sodio?

›› Describir y explicar fenómenos químicos utilizando teorías y observaciones personales.

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El aluminio es uno de los materiales más abundantes de la corteza terres-tre. Además, es de suma importancia tanto en la industria como en la vida cotidiana. Se lo utiliza para la fabricación de telescopios y espejos, papel de aluminio para envolver alimentos y latas para contener bebidas. En la indus-tria aeronáutica, es utilizado en el fuselaje de los aviones. En la industria eléc-trica, se usa en la fabricación de cables de alta tensión debido a su poco peso y su conductividad. En la naturaleza, se lo encuentra combinado for-mando un mineral llamado bauxita.

A lo largo de la historia de la humanidad y a partir del descubrimiento del fuego, se desarrollaron muchos métodos para poder obtenerlo puro a partir de este mineral. Hasta que en 1886 el estadounidense Charles Hall y el francés Paul Héroult, trabajando por separado y sin compartir información, desarrollaron el método para obtener aluminio puro que se conoce como proceso Hall-Héroult.

El aluminio está presente en la bauxita formando un compuesto llamado alúmina. En el proceso de Hall-Héroult se mezcla el mineral con sustancias que permiten separar la alúmina. Luego, esta se disuelve en un baño líquido de un material llamado criolita. una vez disuelta la alúmina, se pasa corriente eléctrica por la mez-cla. Este proceso se llama electrólisis y se vale de la energía eléctrica para producir reacciones químicas. En este caso, se produce una reacción en la que el aluminio se separa de la alúmina y en la que se libera dióxi-do de carbono. El aluminio obtenido se encuentra líquido a la temperatura de la cuba donde ocurre la elec-trólisis que es superior a los 600 °C. Al ser más denso que la criolita se deposita en el fondo de la cuba y se retira de la misma por la parte inferior. Luego se lo coloca dentro de moldes y se lo deja enfriar hasta que se solidifica.

En nuestro país, el aluminio se fabrica en la em-presa ALuAR que tiene su planta productora en la ciudad de Puer to Madryn, en la provincia del Chubut. El nombre de esta empresa viene de las pa-labras Aluminio Argentino.

La electrólisis, un cambio químico de importancia industrial

* Mencionen los cambios químicos y los cambios físicos que se producen durante el proceso de obtención de aluminio. a. Expliquen por qué los consideraron químicos

o físicos en cada caso.b. utilizando el modelo de par tículas, expli-

quen los cambios del aluminio desde que es purificado.

* ¿Qué quiere decir que el aluminio es más denso que la criolita?

* La planta de ALUAR está ubicada relativa-mente cerca de la central térmica El Chocón-Cerros Colorados.a. Investiguen en Internet qué función cumple

esta central térmica.b. ¿Por qué creen que ALuAR está ubicada cerca

de esta central?

›› Relación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente.

Bauxita, mineral del que se extrae el aluminio.

La reacción de electrólisis se realiza en cubas a altas temperaturas en las que se obtienen aluminio fundido y criolita.

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ller

de C

ienc

ias ¿Es mejor el jugo de naranja recién

exprimido que el de otro día?

El jugo de las frutas nos proporciona nutrientes muy importantes, las vitaminas. Los cítricos como la naranja o el pomelo aportan vitamina C. una forma de deter-minar la presencia de vitamina C en un jugo de fruta es agregar un poco de almidón al jugo y luego yodo, gota a gota. Mientras haya vitamina C presente, esta se mez-clará con el almidón. Pero cuando se haya acabado, el almidón reaccionará con el yodo en solución y apare-cerá un color azul intenso. Cuantas más gotas de solu-ción de yodo (llamado lugol) se hayan agregado al jugo sin que se ponga azul, mayor será la cantidad de vitami-na C contenida.

[HIPÓTeSIS DE tALLER] La concentración de vitamina C en un jugo decae con el tiempo.

[PredICCIÓN] La cantidad de gotas de lugol que se agreguen a un jugo recién exprimido sin que se ponga azul será mayor a las que se agreguen a jugos que fueron exprimidos hace más tiempo.

[MATerIALeS A utILIZAR] Jugos de una naranja de tres, dos y un día de haber sido exprimidos naranjas 1 exprimidor 1 cuchillo Solución de yodo (lugol) Almidón de maíz 1 cucharita 1 gotero 5 vasitos de vidrio o plástico 1 probeta o un jarro medidor 1 marcador indeleble.

[PrOCedIMIeNTO PoR PASoS]

1. Para preparar los jugos, 3 días antes de hacer la experiencia corten una naranja, ex-prímanla y coloquen el jugo dentro de un vasito. Rotulen el vaso con el n° 3. Guarden el jugo en la heladera. Hagan lo mismo 2 días antes de la experiencia y luego 1 día antes, rotulen los vasos como nº 2 y nº1, respectivamente.

2. El día de la experiencia, saquen los vasitos de la heladera y llévenlos con cuidado a la escuela.

3. Para comenzar la experiencia, una vez en el aula, corten una naranja y exprímanla en el momento. Colóquenla dentro del vasito n° 0.

4. En otro vaso coloquen agua de la canilla y rotúlenlo como Control.

5. Con la cucharita, agreguen una puntita de almidón a cada uno de los vasitos y revuel-van bien.

6. Con un gotero, vuelquen gota a gota el lugol dentro de cada uno de los vasitos revol-

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232323

1. Imaginen que un grupo de estudiantes realizó una experiencia parecida a esta, pero compararon la cantidad de vitamina C en un jugo preparado con polvo y otro natural recién hecho. Los resultados se ven en la siguiente tabla.

a. ¿Cuál habrá sido la hipótesis de la experiencia en este caso?b. ¿A qué conclusión habrán llegado los estudiantes?

2. ¿Por qué la cantidad de naranjas utilizadas en la experiencia de este taller fue la misma? ¿Qué creen que hubiese ocurrido si se pusiera en un vaso el jugo de dos naranjas y en otro, el jugo de una sola?

3. ¿Para qué se usa el vaso con agua sola? ¿Qué hubieran hecho si en los cinco vasos debían agregar 6 gotas de lugol? ¿Habrían confiado en la calidad de los reactivos?

4. Investiguen las causas de la caída en la concentración de vitamina C en el tiempo. ¿Qué otros factores descomponen la vitamina C? ¿Es lo mismo consumir alimentos cocidos que crudos?

ACtIVIDADES

viendo continuamente. Cuenten las gotas que se usan de lugol en cada vaso hasta que aparezca un color azul. Es probable que el color final sea de un marrón azulado debido al color naranja del jugo.

7. Registren los resultados en una tabla como la siguiente.

[¿QUÉ reSULTAdOS eSPerAMOS?] Se espera que cuanto más fresco sea el jugo más vitamina C tendrá. Si esto es así, se nece-

sitará agregar más gotas de lugol hasta observar el resultado de la reacción entre el almidón y el lugol, que es el cambio de color de la muestra.

¿Qué esperan que ocurra en el vaso Control?Analicen los resultados obtenidos luego de la experiencia y elaboren una conclusión de

la misma. ¿Se comprobó la hipótesis planteada? ¿Y la predicción?

Jugo Gotas de lugol utilizadas

Arti� cial 2

Natural 5

Control 1

Muestra Gotas de lugol utilizadas hasta el cambio de color

Vaso 0

Vaso 1

Vaso 2

Vaso 3

Control

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Prop

uesta d

e a

ctiv

idade

s24 [ ]icono

4 . Expliquen las siguientes afirmaciones, tanto si las consideran correctas como si no.

a. Quemar papel es un cambio químico.b. Agregarle azúcar al café con leche es un cambio

químico.c. Freír un huevo es un cambio físico.d.Manchar con lavandina una tela es un cambio

químico.

5. Completen el siguiente cuadro.

6 . Observen las siguientes imágenes.

a. Indiquen qué tipos de cambios ocurren en cada caso.

b. Clasifíquenlos en físicos y en químicos y expliquen por qué lo hacen.

7 . Lean el siguiente texto y resuelvan las consignas que están a continuación.

En la industria, para obtener hierro se puede utilizar chatarra como materia prima, la cual se pone dentro de un horno. Estos hornos se conocen como altos hornos, debido a su tamaño y altura. Allí la chata-rra se mezcla con otro material, el coque, que es un producto del carbón mineral. La mezcla se calienta a temperaturas elevadas cercanas al punto de fu-sión del hierro. En esas condiciones, la chatarra se transforma en hierro líquido y se desprenden gases. En la industria, se utilizan miles de kilos de chatarra y se obtienen grandes volúmenes de hierro. Una vez obtenido, el hierro se coloca dentro de moldes y se deja enfriar hasta solidi� carse.

a. Indiquen qué propiedades de la materia se men-cionan en el texto.

b. Clasifíquenlas en generales y específicas. Expli-quen por qué. Indiquen los cambios que ocurren en el proceso. Clasifiquen estos cambios en físi-cos o en químicos y expliquen por qué lo hacen.

Estado Fuerza de atracción entre las partículas

Velocidad de las partículas

muy débil

Luego de 15 días de haber mandado las mues-tras al laboratorio, llegaron los resultados a la oficina de Ramírez en un sobre cerrado.

El informe detallaba algunas características de la sustancia encontrada en la escena del crimen.

1 . De acuerdo con lo que vieron en el capítu-lo, ¿de qué sustancia consideran que se trata? ¿Por qué? Investiguen en Internet para confir-marlo. ¿Qué datos buscarían?

2 . Averigüen si esta sustancia es soluble en agua.

3 . Gracias a las huellas digitales dieron con el asesino, un amigo de la víctima que sufre de pro-blemas de acidez estomacal. ¿Cómo explican la presencia de la sustancia en la escena del crimen?

A

C

B

D

Laboratorio a cargo del Dr. Selenio Argón

Resultados de la muestra nº 80054

Aspecto de la sustancia: polvo de color blanco opaco

Punto de fusión: 50 ºCDensidad: 2,173 g/cm3

Ante la reacción con ácido: resultado positivo, liberación de gas.

17 de marzo de 2012

Solicitado por: Jorge Ramírez

eSTUdIO DE CASo [ ][[ ]]

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25

8. Indiquen qué cambio representa cada número en el siguiente diagrama.

a. ¿En qué casos se toma calor del ambiente? ¿Qué ocurre con las partículas en esos casos?

b. ¿En qué casos se libera calor al ambiente? ¿Qué ocurre con las cambios a nivel de las partículas en esos casos?

9 . A partir de las siguientes descripciones, ordenen los materiales del menos denso al más denso. Justifi-quen su orden.

Material 1: en 100.000 cm3 entran 15 kg de este material.

Material 2: 3 g de este material ocupan 0,5 cm3. Material 3: este material flota en el material 2, pero queda por debajo del material 1, que flo-ta sobre él.

Material 4: flota sobre el material 1.

10 . Indiquen cuáles de estas afirmaciones son co-rrectas y cuáles no lo son. En cada caso justifiquen su elección. Cambien las afirmaciones que consideraron incorrectas de manera que resulten correctas.

a. Aristóteles creía que la materia estaba formada por partes indivisibles y que era discontinua.

b. Con su experimento, Proust demostró que la materia está formada por una mezcla continua de aire, tierra, fuego y agua.

c. De acuerdo con el modelo de Bohr, los átomos están compuestos por un núcleo con cargas po-sitivas y partículas de carga negativa que orbitan a su alrededor.

d. Los átomos son sólidos, sin huecos en su interior, como lo postuló Dalton.

e. Demócrito adhería a las ideas de Empédocles acerca de la constitución de la materia.

f. El aire es un elemento fundamental porque no está compuesto por otros elementos.

g. Los átomos pueden agruparse y formar moléculas.

1 1 . Luego de haber leído este capítulo, ¿qué aprendieron acerca de las propiedades de la materia?

1 2 . ¿Cambió alguna de las ideas que tenían con respecto a los temas del capítulo?

13 . ¿Qué tema les interesó más? ¿Por qué?

14 . ¿Qué tema no entendieron? ¿Sobre cuál les gustaría seguir leyendo?

[red ConCEPtuAL]

SÓLIDO GASEOSO

LÍQUIDO

2

6

5

4

31

MATERIA

Moléculas

Modelo

Sólida

Físicos

Propiedades

Específicas

Densidad

Masa

Se la encuentra

Está formada por

Le ocurren

tiene

Que pueden formar

Se pueden representar con

Se pueden explicar con

Estos estados se pueden explicar con

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26El v

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— Esteeee… ¿mister Dalton?—Yes? ¿Es usted del círculo de amigos?—¿Amigos? No, yo soy un biólogo argentino… un admirador, digamos. Pero no sé a qué se refiere —balbuceé, aun más confundido que antes.—Ah, qué pena —respondió—. Pensé que era uno de los nuestros.Yo seguía sin entender nada.—¿Los nuestros? —pregunté—. ¿Quiere decir los químicos?—Oh, no, my friend. La sociedad religiosa de amigos: ¡los cuáqueros!Me vino inmediatamente a la cabeza la imagen del gordito sonriente en la caja de cereales que comía cuando era chico, y no pude reprimir una sonrisa. Mientras tanto, Dalton...—Siempre es bueno recibir a un amigo —conti-nuó—. Si no fuera por ellos, yo nunca hubiera lle-gado a nada. Vengo de una familia bastante pobre, ¿sabe? No como todos esos petulantes que andan por ahí pavonéandose frente al Rey… Ja, ¡si supiera cómo lo traté yo al mismísimo Rey de Inglaterra!—¿Al Rey? —Sí, una vez me preguntó cómo andaba todo por Manchester. “Qué se yo, don Rey”, le dije, “como siempre”. ¡Las caras que pusieron todos! ¿Pero qué se le puede decir a gente como esa? Y yo, que fui director de una escuela a los doce años. No me vengan con reyes a mí…Sí, definitivamente era Dalton, el genio que se había negado a usar atavío militar para ver al Rey, como exigía el protocolo, el mismo que había hecho apor-

tes a la meteorología, a la gramática y, sobre todo, a la teoría atómica. Preferí ir sobre seguro.—¿Sabe qué? Siempre quise saber de dónde había salido el nombre de “átomos”.—Ah, pero yo no le puse el nombre —confesó Dalton—. Es de Demócrito, unos tres siglos antes de Cristo, que seguramente se lo tomó prestado

1760 1773 1794 18361802-1803

1760 1770 1790 1800

Jorge III se consagraba rey de Gran Bretaña e

Irlanda

A la edad de 12 años, Dalton fue director

en una escuela

Publicó su libro Hechos extraordinarios relacionados

con la visión de los colores

Encuentro con el Viajero del

tiempo

Realizó y publicó sus experimentos relacio-

nados con el atomismo

1830

La verdad es que estaba un poco nervioso. Iba a encontrarme con uno de los cientí� cos más in� uyentes para la química y la física: ni más ni menos que el que había puesto en claro � nalmente que la materia está compuesta por átomos. Esperaba a un

caballero con todas las pompas, con ricos vestidos y el inglés de la Reina o de los Rolling Stones. Cuando me anuncié en el hotel, me señalaron a un personaje bastante desaliñado, mal vestido y al que no se le entendía casi nada cuando hablabla. Tal vez me hubiera equivocado de época, o me hubieran indicado mal, así

que lo mejor era avanzar con cuidado.

John Dalton: entre átomos y ojos

La verdad es que estaba un poco nervioso. Iba a encontrarme con

Tabla de elementos de Dalton.

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ELVIAJERO

DEL TIEMPO

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a Leucipo. Es fácil: a quiere decir “sin”, y tomos quiere decir “partes”, como los tomos de un li-bro. Usted sabrá, joven, que yo siempre digo que los átomos son la parte mínima, indivisible de la materia, entonces, los átomos no tienen partes. Ingenioso, ¿verdad?—Momentito… si usted no le puso nombre, y tam-poco imaginó la idea, ¿por qué se hizo tan famoso?—Bueno, famoso… no es para tanto. Pero sí, lo que yo hice fueron algunos experimentos para demostrar las ideas atomistas. La idea es simple: me la pasé pesando elementos. Se me ocurrió po-nerle 1 al peso de cada átomo de hidrógeno, y después anduve buscando los pesos relativos de los átomos de otros elementos. Vea, como calculé que el nitrógeno pesa unas cuatro veces más que el hidrógeno, le puse el número 4, y entonces hice una tablita que…—¿Una tabla de los elementos? —me entusiasmé.—¿Qué, la conoce? —se interesó—. Sí, seguramen-te alguien la complete y la ordene mejor dentro de unos años, pero, modestamente, creo que está bastante bien.¡Bastante bien, decía!… Dalton había comenzado una revolución que daría como resultado entender cómo está constituida la materia, con sus elementos, sus átomos, sus pesos, sus hipótesis y predicciones… Y Dalton me decía que estaba “bastante bien”. —Claro, también supuse que los compuestos siempre tienen una proporción fija de átomos de distintos tipos, que si no, no podía interpretar los experimentos…Qué curioso, este inglés del siglo XIX me hablaba como un científico moderno: con hipótesis, predic-ciones, controles, métodos. Claramente para hacer ciencia y entender el mundo no se necesita nada demasiado complejo… En este caso, bastaron una balanza, un laboratorio simple y muchas ideas bien puestas. Pero Dalton me siguió sorprendiendo hasta el final.—Disculpe, joven, ¿me podría decir de qué color es su chaqueta?—¿Mi chaqueta?—Sí, nada importante, es solo para comprobar unas ideas que tengo…—Bueno, tengo un saco azul que…—¿Azul? ¿No le digo? Tengo razón: no puedo ver ese maldito color.—Claro, si usted es daltónico.

—¿Cómo dice? ¿Se está burlando?Había incurrido en un anacronismo y me corregí.—Nada, que me habían dicho que hay colores que usted confunde, o que no ve bien.—Ah, sí. Me pasa eso: hay colores que me resultan iguales, y para el resto del mundo son completamen-te diferentes… También hay colores que veo distin-tos a la luz del sol que con las velas… Para mí que hay algo en mis ojos. Usted me parece confiable, ¿le puedo pedir un favor… especial?—Eeeehhh… Bueno, será un honor.—Mire, me queda poco tiempo de vida, y yo quiero que se sepa qué es lo que me pasa. Quiero que cuan-do me muera me saquen los ojos y miren a través de ellos. Si mi teoría es cierta, entonces van a ver los co-lores raros, como filtrados, porque estoy seguro de que mis ojos no son transparentes. Es la única forma de saberlo. ¿Lo va a hacer, verdad?

No tuve más remedio que decirle que sí, mien-tras me disponía a volver a casa y a mi tiempo. Y me quedé pensando en lo más importante: el verdadero científico quiere que se sepa algo… aunque ya esté muerto. ¡Qué capo este Dalton!

1 . ¿Qué diferencia existe ente el pensamiento de Dalton y el de Demócrito?

2. ¿Qué quiere decir el Viajero cuando dice que Dalton hablaba como un científico moderno?

3. ¿Por qué creen que Dalton se vestía tan mal?

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Dalton no distinguía bien los colores. Actual-mente a esta condición se la llama daltonis-mo en homenaje al químico.

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