I

Unidad 1: “La química en nuestro entorno”

Subunidades Tiempo estimado en horas 1. Definición y aplicación de química 9 2. Materia 11 3. Energía 6

INDICE

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Índice I Símbolos usados en esta guía VII Introducción VIII Objetivos X 1.1 Definición y aplicación de la Química 1 1.1.1 La química como una ciencia central. 1 Lectura No. 1: “La química en la industria automotriz”. 1 Lectura No. 2: “La edad de piedra, de hierro y del polímero”. 2 1.1.2 Pros y contras de la Química. 4 Lectura No. 3: “El síndrome de Minamata”. 6 Lectura No. 4: “Lección de Chernobyl”. 7 Lectura No. 5. “Entrevista con el Nóbel mexicano de Química 9 Mario Molina Enríquez (1943 - )”. 1.1.3 Definición de Química. 12 1.1.4 La química es una ciencia, pero … ¿Qué es una ciencia? 13 1.1.4.1 Conocimiento empírico. 14 Lectura No. 6: “Sin depósito, sin retorno, sin problema”. 15 Lectura No. 7: “La química en el buceo de aguas

profundas”. 16

Lectura No. 8: “La primera clase de química en América”. 17 1.1.4.2 Método científico. 18 Lectura No. 9: “Un problema intrigante”. 21 Lectura No. 10: “Piezas de rompecabezas de los

dinosaurios”. 24

II

Práctica No. 1: “Observaciones con una vela”. 25 Práctica No. 2: “Aplicación del método científico”. 28 1.2 Materia. 31 1.2.1 Definición clásica y definición según la física relativista de

materia. 31

Lectura No. 11: “Propiedades del azufre”. 31 Práctica No. 3: “El aire también es materia”. 33 1.2.1.1. ¿Materia, masa y peso es lo mismo? 34 1.2.2 Propiedades de la materia. 35 Lectura No. 12: “Fibras ópticas”. 36 Lectura No. 13: “Mordedura de serpiente”. 37 Lectura No. 14: “Órganos de los sentidos”. 40 Práctica No. 4: “Impenetrabilidad de la materia”. 42 Práctica No. 5: “Propiedades físicas de la materia”. 43 Práctica No. 6: “Propiedades organolépticas”. 45 Práctica No. 7: “La inercia, otra propiedad de la materia”. 46 1.2.3 Clasificación de la materia. 47 Lectura No. 15: “Mezclar es fácil, lo difícil es volver a separar”. 49 Práctica No. 8: “Cristales moleculares: azúcar”. 54 Lectura No. 16: “Dulce sin azúcar”. 56 Lectura No. 17: “Cromatografía”. 57 Lectura No. 18: “Química forense”. 60 Práctica No. 9: “Principio de la cromatografía sólido - líquido”. 60 1.2.4 Estados de agregación de la materia. 61 Práctica No. 10: “Propiedades de los gases”. 61 1.2.4.1 Propiedades generales de los gases. 62 Lectura No. 19: “Inversión térmica”. 63 Lectura No. 20: “La respiración”. 64 1.2.4.2 Líquidos. 65 Práctica No 11: “Propiedades de los líquidos”. 66 Lectura No. 21: “Un refrigerador… ¿Produce calor? 67 Lectura No. 22: “Solubilidad de gases en agua”. 68 1.2.4.3 Propiedades generales de los sólidos. 70 1.2.4.4 Plasma ¿Un cuarto estado de la materia? 70 1.2.4.5 Cambios de estado. 72 Lectura No. 23: “Cambios de estado”. 72 1.3 Energía. 75 1.3.1 Concepto de energía. 75 1.3.2 Tipos de energía. 76 1.3.2.1 Energía potencial y energía cinética. 76 1.3.2.2 Otros tipos de energía. 78 1.3.3 Manifestaciones de energía. 79 1.3.4 Transformaciones de energía. 80

III

Lectura No. 24: “La energía se conserva”. 81 1.3.5 Leyes de la conservación de la masa y la energía. 85 1.3.5.1 Ley de la conservación de la masa. 85 Práctica No. 12: “Ley de la conservación de la materia”. 86 1.3.5.2 Ley de la conservación de la energía. 87 1.3.5.3 Ley de la interconversión de la materia y la energía. 88

Unidad 2: ¿De qué están hechos los recursos naturales?” Subunidades Tiempo estimado en horas 1. Partículas subatómicas. 2 2. Mecánica Cuántica. 8 3. Configuración electrónica. La huella digital de los elementos. 6 4. Símbolos de los elementos químicos que forman los recursos naturales. 4 5. Antecedentes de la tabla periódica. ¡Un lugar para cada cual! 5 6. Propiedades periódicas de los elementos químicos. 5

2.1 Partículas subatómicas. 90 2.1.1 El átomo. 90 Lectura No. 25: “De Demócrito al neutrino”. 90 2.1.2 Protón, electrón y neutrón. 94 Práctica No. 13: “Los papeles saltarines”. 95 2.2 Mecánica cuántica. 96 2.2.1 Modelos atómicos. 96 2.2.2 Modelo atómico de la mecánica cuántica. 100 Lectura No. 26: “Electrones excitados y espectros”. 100 Lectura No. 27: “El nacimiento de la teoría cuántica”. 101 Práctica No. 14: “La caja negra”. 103 2.2.3 Los números cuánticos. 104 2.3 Configuración electrónica. La huella digital de los elementos. 115 2.3.1 Principio de edificación progresiva de Aufbau. 116 Principio de exclusión de Pauli y Principio de Máxima

Multiplicidad de Hund. 118

2.3.2 Configuración electrónica. 118 2.3.3 Electrón diferencial. 126

IV

2.4. Símbolos de los elementos que forman los recursos naturales. 129 2.4.1 Símbolos de los elementos químicos. 129 Lectura No. 28: “Elementos que forman los recursos naturales”. 129 Lectura No. 29: “Recursos y desechos”. 131 2.4.2 Número atómico, masa atómica e isótopos. 139 Práctica No. 15: “Monedas isotópicas”. 143 2.5 Antecedentes sobre la Tabla Periódica. ¡Un lugar para cada cuál! 145 Lectura No. 30: “Sustancias conocidas antes de la conquista de México”. 146 Lectura No. 31: “Los metales, su obtención y aplicación”. 148 Práctica No. 16: “Propiedades de los metales”. 149 2.5.1 Antecedentes históricos de la tabla periódica. 154 2.5.2 Tabla Periódica larga. 160 2.6 Propiedades periódicas de los elementos químicos. 164 2.6.1 Relación entre configuración electrónica y Tabla Periódica. 166 Práctica No. 17: “Propiedades químicas de los no metales”. 167 2.6.2 Energía de ionización. 170 2.6.3 Afinidad electrónica. 173 2.6.4 Electronegatividad. 174 2.6.5 Radio atómico. 177 2.6.6 Números de oxidación. 179 2.6.7 Propiedades de los metales y no metales. 182 Práctica No. 18: “Metal comestible”. 188

Unidad 3: “Enlaces y nomenclatura de compuestos químicos”

Subunidades Tiempo estimado en horas 1. Enlaces químicos. 15 2. Nomenclatura 25

3.1 Enlaces químicos. 190 Lectura No. 32: “Un banco muy especial”. 190 3.1.1 Definición de enlace químico. 193 3.1.2 Clasificación de enlaces químicos. 196 3.1.3 Fuerzas interatómicas. 196 3.1.3.1 Enlace iónico. 196 3.1.3.2 Enlace covalente. 199

V

3.1.3.2.1 Enlace covalente no polar. 200 Lectura No. 33: “La gran máquina del clima”. 202 3.1.3.2.2 Enlace covalente polar. 203 3.1.3.2.3 Enlace covalente coordinado. 205 Práctica No. 19: “Elaboración de una pelota”. 207 Lectura No. 34: ¿Qué es lo último en

superconductores? 208

3.1.3.3 Enlace metálico. 209 3.1.4 Fuerzas intermoleculares. 211 3.1.4.1 Enlace por puente de hidrógeno. 211 3.1.3.4.2 Fuerzas de Van der Waals. 213 3.1.5 Propiedades de las sustancias de acuerdo a su tipo de enlace. 214 3.1.5.1 Punto de ebullición. 214 3.1.5.2 Solubilidad. 215 Práctica No. 20: “Propiedades de los compuestos en función a su

tipo de enlace”. 216

3.2 Nomenclatura. 219 Lectura No. 35: “El cloruro de sodio (NaCl) un compuesto binario

clásico”. 220

3.2.1 Aspectos básicos de nomenclatura. 221 3.2.2 Compuestos binarios. 225 3.2.2.1 Sales binarias. 227 Lectura No. 36: “Luces de bengala”. 230 Práctica No. 21: “Preparación de sales”. 231 Lectura No. 37: “Óxidos metálicos, comunicación y joyería”. 237 3.2.2.2 Óxidos metálicos. 239 Práctica No. 22: “Obtención de óxidos”. 240 Lectura No. 38: “Dióxido de carbono y la vida”. 244 Lectura No. 39: “El dióxido de carbono y el efecto

invernadero”. 245

Lectura No. 40: “Óxidos no metálicos y smog fotoquímico”. 248 3.2.2.3 Óxidos no metálicos, anhídridos u óxidos ácidos. 250 Práctica No. 23: “Óxidos no metálicos”. 252 Lectura No. 41: “El ácido clorhídrico y sus usos”. 255 3.2.2.4 Hidrácidos. 256 3.2.2.5 Hidruros. 257 3.2.2.6 Peróxidos. 259 3.2.3 Compuestos ternarios. 259 Lectura No. 42: “La salud y el hidróxido de aluminio”. 260 3.2.3.1 Hidróxidos. 262 Lectura No. 43: “La lluvia ácida, problema internacional”. 263 Práctica No. 24: “La lluvia que marchita”. 264 3.2.3.2 Oxiácidos. 266 Práctica No. 25: “Ácidos y bases”. 268 Lectura No. 44: “La química dental”. 272

VI

3.2.3.3 Oxisales neutras. 275 3.2.4 Compuestos cuaternarios. 276 3.2.4.1 Oxisales ácidas. 276 Glosario de términos. 279 Bibliografía. 294 Créditos de elaboración. 296

VII

Pensar más sobre el tema

Observar y tomar notas

Actividades de laboratorio

Actividades de aula

Evaluación

Actividad Extraclase

VIII

La química habla de las nuevas fronteras que se han abierto, los beneficios y contribuciones a nuestra existencia y calidad de vida, muestra la importancia de sus aplicaciones a las necesidades humanas a través de los productos químicos. Indica los cambios que suceden en nuestro alrededor, tales como: la oxidación del hierro, la combustión de la madera, la contaminación del ecosistema por productos no biodegradables y los desechos atómicos no controlados. Esta ciencia tiene que ver con todos los cambios que se efectúan en nuestro entorno, responde a las necesidades de una sociedad activa, estudiando los factores que gobiernan y controlan las reacciones químicas. El punto de partida nace con el conocimiento empírico, concepto transmitido de padres a hijos y nos lleva a la aplicación del método científico, proporcionando la pregunta natural ¿de qué están hechas las cosas de nuestro entorno? Esto encamina paulatinamente, a estudiar la materia y las partículas de las mismas, llamadas átomos. Actualmente se conocen más de 100 tipos de átomos, los cuales tienen un comportamiento característico e individual. Las combinaciones forman grupos de átomos llamados moléculas con características propias. En la primera unidad correspondiente a este curso se habla de las características y propiedades de los compuestos, mezclas y leyes que rigen sus cambios y/o modificaciones. Ante las demandas crecientes de una sociedad activa, la química juega un papel fundamental, en los intentos del hombre por encontrar cómo alimentar a la creciente población, proporcionándole nuevas fuentes de energía, vestido, albergue y finalmente mejorar la calidad de vida y preservar el medio ambiente. En la segunda unidad se habla sobre la primera clasificación empírica de la materia fue hecha por los griegos. Ellos afirmaban que estaba formada por cuatro elementos fundamentales: fuego, aire, tierra y agua. Con el tiempo quedó claro que ninguno de los cuatro componentes anteriores eran realmente elementos. Durante la edad media (entre 500 y 1500 años d.C.) se inicia una etapa en la cual los alquimistas se dieron a la tarea de buscar un disolvente universal que pudiese transformar algunos metales como el hierro, el cobre y el zinc en oro. Otros, trataron de buscar el elíxir de la vida o la piedra filosofal, lo cual dio como resultado las primeras formas de la química experimental.

IX

Conforme avanzó la tecnología, el hombre se vio en la necesidad de estudiar y

clasificar a los elementos. En el siglo XVII el químico francés Lavoisier (padre de la química moderna) abolió una teoría, la del “flogisto” y reunió una lista de 26 elementos químicos, y en 1869 Mendeleiev clasificó a los elementos en función del orden creciente de sus pesos atómicos, se desconocía la razón del orden periódico que encontró. En 1897 se descubrió el electrón. En estos últimos años del siglo pasado fueron el escenario de otros dos grandes descubrimientos, a saber: los rayos X (1895) y la radioactividad (1896). Una vez descubiertos los componentes del átomo, núcleo y electrones, pasó poco tiempo para que se presentara un modelo atómico semejante al “sistema planetario solar”, en donde los electrones giran alrededor del núcleo, como los planetas giran alrededor del Sol. No obstante, las leyes físicas conocidas indicaban que no se trataba de un átomo estable, Niels Bohr en 1913 retomó las ideas de la teoría cuántica generada por Max Planck para lograr un nuevo modelo de átomo. En la tercera década del siglo XX, la teoría cuántica pudo explicar el comportamiento periódico de los elementos; la periodicidad se debe a la forma como se encuentran distribuidos los electrones de los átomos en sus niveles y subniveles energéticos. Desde entonces, la química basa la explicación de muchos fenómenos naturales en la configuración electrónica de los átomos. Si la materia existe como tal formando una gran cantidad de compuestos, que pueden ser diferenciados y caracterizados según sus propiedades; esto es posible por las fuerzas que se ejercen entre los átomos, a lo que llamamos enlaces químicos. En estos los que mayor participación tienen, son los electrones de valencia, existiendo una transferencia o compartición electrónica. Prueba de lo anterior, sería la observación de las propiedades que distinguen a los diferentes compuestos químicos. Sin embargo, existen otro tipo de fuerzas que actúan a nivel molecular y son responsables también del comportamiento que manifiestan las sustancias. Gracias al conocimiento de la formación de estos enlaces químicos y conociendo sus características, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (UIQPA) es un organismo que se ha dado a la tarea de dar nombres a cada uno de los diferentes compuestos químicos tales como: hidróxidos, ácidos, sales etc. Al concluir este curso aplicarás las reglas generales para nombrarlas principales funciones de Química Inorgánica. El presente texto tiene la finalidad de ofrecer al estudiante las herramientas necesarias para conocer, comprender y aplicar los conceptos y procesos fundamentales de la química orgánica en su vida cotidiana.

X

Primera unidad En esta unidad aprenderás a: Identificar las áreas donde se usa la química.

Usar los conceptos de materia y energía

Aplicar el método científico

Aquilatar los pros y contras que proporciona la química

Definir conceptos de materia, energía y química

Identificar las propiedades intensivas y extensivas de la materia

Clasificar los tipos de energía

Usar las leyes que rigen la masa y la energía.

Segunda unidad En esta unidad aprenderás a: Interpretar la estructura del átomo y su relación con el modelo atómico de Bohr

Sommerfiheld.

Usar los símbolos químicos.

Escribir la configuración electrónica de los elementos químicos.

Identificar las propiedades de los elementos según su ubicación en la Tabla

Periódica.

XI

Tercera unidad Definir el concepto de enlace químico.

Diferenciar los distintos tipos de enlace

Representar enlaces químicos usando la estructura de Lewis

Determinar las propiedades de los compuestos de acuerdo a su enlace.

Escribir el nombre y la fórmula química de compuestos binarios, ternarios y

cuaternarios.

Realizar prácticas de laboratorio.

Fomentar el trabajo en equipo.