Este libro es una obra colectiva concebida , diseñada y creada en el Depar tamento de Ediciones de Santillana , bajo la dirección de Teresa Grence Ruiz. En su elaboración han par ticipado: Mar í a de l Carmen Vi da l Fernández Bárbara Braña Bor j a Dav i d Sánchez Gómez EDICIÓN Bárbara Braña Bor j a EDICIÓN E JECUTIVA Dav i d Sánchez Gómez DIRECCIÓN DEL PROYECTO Antonio Brandi Fernández Las actividades de este libro no deben ser realizadas en ningún caso en el propio libro. Las tablas, esquemas y otros recursos que se incluyen son modelos que deberán ser trasladados a un cuaderno. Física y Química 4 E S O
Índice Unidad Si tuac ión de aprendizaje. E L R E T O Obj et i vos de Desar ro l l o Sostenibl e (ODS) y sus metas 1 La materia: gases y disoluciones 8 Registrar el diario de una persona científica. Aumentar el número de personas que tienen las competencias necesarias, en particular técnicas y profesionales, para acceder al empleo, el trabajo decente y el emprendimiento. Meta 4.4 2 Los átomos y la tabla periódica 34 Elaborar una tabla periódica con las aplicaciones de cada elemento. Promover el desarrollo sostenible y los estilos de vida en armonía con la naturaleza. Meta 12.8 3 Enlace y compuestos químicos 58 Elaborar una página web sobre nuevos materiales. Aumentar la investigación científica y mejorar la capacidad tecnológica de todos los países. Meta 9.5 4 Química del carbono 80 Idear un juego sobre compuestos orgánicos. Reducir la mortalidad prematura por enfermedades no trasmisibles mediante la prevención y el tratamiento y promover la salud mental y el bienestar. Meta 3.4 5 Las reacciones químicas 106 Realizar un pódcast sobre un proceso químico y sus efectos sobre el medioambiente. Mejorar la producción y el consumo eficientes de los recursos protegiendo el medioambiente. Meta 8.4 6 El movimiento 136 Promover una campaña para conseguir que se cumplan los límites de velocidad establecidos. Reducir a la mitad el número de muertes y lesiones causadas por accidentes de tráfico en el mundo. Meta 3.6 2
Saberes bás i cos Procedimi entos c i ent í f i cos Act i tud cr í t i ca 1. Los gases. 2. Las leyes de los gases. Ley de Boyle-Mariotte. 3. Las leyes de los gases. Ley de Gay-Lussac. 4. Las leyes de los gases. Ley de Charles. 5. La ecuación general de los gases ideales. 6. La ecuación de estado de los gases ideales. 7. La teoría cinética de los gases. 8. Las disoluciones. Relacionar la presión ambiental y la ley de Boyle-Mariotte. Relacionar los vuelos en globo y la ley de Charles. Simular el comportamiento de los gases. Pesar sustancias. Comunicar un estudio científico. Diferenciar entre concentración en masa y densidad. Preparar una disolución. ¿Pueden explotar los espráis de pintura? 1. Las partículas que forman los átomos. 2. Modelos atómicos. 3. Distribución de los electrones en un átomo. 4. La tabla periódica de los elementos. 5. Propiedades periódicas de los elementos. Construir una tabla periódica. Analizar las propiedades de algunos elementos metálicos: Aℓ, Mg y Na. 1. El enlace químico. 2. El enlace iónico. 3. El enlace covalente. 4. El enlace metálico. 5. Enlace entre moléculas. 6. Propiedades de las sustancias y tipo de enlace. Analizar cómo limpia el jabón. Relacionar las propiedades de las sustancias con el tipo enlace. ¿El jabón destruye el coronavirus? 1. Los compuestos del carbono. 2. Los hidrocarburos. 3. Compuestos oxigenados. 4. Compuestos nitrogenados. 5. Compuestos oxigenados y nitrogenados a nuestro alrededor. 6. Compuestos orgánicos de interés biológico. Elaborar aspirina. ¿Podemos eliminar el exceso de colesterol tomando mucha agua para disolverlo? 1. La reacción química. 2. La energía de las reacciones químicas. 3. La velocidad de las reacciones químicas. 4. Cálculos en las reacciones químicas. 5. Reacciones de ácidos y bases. 6. Las reacciones de combustión. 7. Las reacciones electroquímicas. Estudiar la ley de la conservación de la materia. Preparar un indicador ácido base. Detectar el CO2 en la respiración. 1. Magnitudes que describen el movimiento. 2. La velocidad. 3. Movimiento rectilíneo uniforme (MRU). 4. La aceleración. 5. Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA). 6. Movimiento circular uniforme. Conocer las características de un MRU a partir de la gráfica posición-tiempo. Medir la velocidad instantánea en un MRUA. Analizar el trazado de un circuito. ¿Es igual de seguro ir a 50 km/h que a 30 km/h en ciudad? 3
Índice Unidad Si tuac ión de aprendizaje. E L R E T O Obj et i vos de Desar ro l l o Sostenibl e (ODS) y sus metas 7 Las fuerzas 162 Desarrollar un experimento sobre el rozamiento y analizar innovaciones relacionadas con la industria. Aumentar el número de personas que trabajan en investigación y desarrollo. Meta 9.5 8 Fuerzas gravitatorias 186 Elaborar un trabajo de investigación sobre algún misterio del universo. Aumentar la investigación científica fomentando la innovación. Meta 12.5 9 Fuerzas en fluidos 206 Explicar cómo funcionan algunas máquinas que nos rodean. Apoyar el desarrollo de tecnologías, la investigación y la innovación. Meta 9.b 10 La energía y sus transferencias 230 Diseñar una campaña para fomentar el ahorro energético. Garantizar el acceso universal a servicios energéticos asequibles, fiables y modernos. Meta 7.1 11 Ondas. Luz y sonido 262 Mejorar la iluminación y la acústica de una estancia. Usar la energía de manera más eficiente. Meta 7.3 Anexos 294 4
Saberes bás i cos Procedimi entos c i ent í f i cos Act i tud cr í t i ca 1. Fuerzas y cambios en la velocidad. 2. Acción de varias fuerzas. 3. Fuerzas que actúan sobre los cuerpos. Peso, normal, rozamiento, empuje y tensión. 4. Leyes de Newton de la dinámica. 5. Las fuerzas y el movimiento. Comprobar que la fuerza resultante provoca el mismo efecto que las fuerzas iniciales. Relacionar la fuerza aplicada a un cuerpo con su aceleración. Experimentar con el principio fundamental de la dinámica. ¿Se puede mover un coche sin consumir combustible? 1. La fuerza gravitatoria. 2. El peso y la aceleración de la gravedad. 3. Movimiento de planetas y satélites. Analizar el experimento de Cavendish para determinar G. Usar animaciones virtuales para estudiar el movimiento de un satélite. Analizar imágenes astronómicas. ¿Es la exploración espacial una pérdida de dinero sin aplicaciones prácticas? 1. La presión. 2. La presión hidrostática. 3. La presión atmosférica. 4. Propagación de la presión en fluidos. 5. Fuerza de empuje en cuerpos sumergidos. 6. Física de la atmósfera. Comprobar experimentalmente las fuerzas ejercidas en el interior de un líquido. Medir la densidad de un líquido mediante vasos comunicantes. Comprobar experimentalmente la existencia de la presión atmosférica. Analizar cómo se propaga la presión en un fluido. Analizar las fuerzas que intervienen en un experimento. Aplicar el principio de Arquímedes. ¿1 kg de hierro pesa más que 1 kg de corcho? 1. ¿Qué es el trabajo? 2. El trabajo y la energía mecánica. 3. Potencia mecánica y rendimiento. 4. ¿Qué es el calor? 5. La energía en nuestra vida cotidiana. Estudiar la conservación de la energía mecánica. Medir el calor específico de una sustancia. ¿Existen máquinas que funcionen sin consumir energía? 1. El movimiento ondulatorio. 2. El sonido. 3. La luz. 4. Propiedades de la luz y del sonido. 5. Aplicaciones de la luz y del sonido. Medir la velocidad del sonido en el aire. Comprobar la reflexión de la luz en espejos planos. Comprobar la refracción de la luz. ¿Los auriculares dañan los oídos? Nomenclatura inorgánica Nomenclatura orgánica La tabla periódica de los elementos 5
Mezclar para cocinar Desde hace unos años la gastronomía molecular ha traído a las cocinas utensilios y técnicas muy novedosos. Viendo trabajar a sus profesionales, casi parece que estemos en un laboratorio de física y química . Y es que en esto consiste la gastronomía molecular : en aplicar los conocimientos científicos a la comprensión y desarrollo de las preparaciones culinarias. El conocimiento de los gases y de las mezclas de sustancias será fundamental en muchas elaboraciones espectaculares. Y el conocimiento riguroso viene, como ya sabes, de la mano del método científico. La materia: gases y disoluciones 1 R E T O Registrar el diario de una persona científica 8
Con este reto vas a cont r ibui r a… «De aquí a 2030, aumentar considerablemente el número de jóvenes y adultos que tienen las competencias necesarias, en particular técnicas y profesionales, para acceder al empleo, el trabajo decente y el emprendimiento (Meta 4.4)». Mientras realizas el diario y aplicas el método científico, aprenderás los pasos que requiere un trabajo riguroso, desde su planteamiento hasta la comunicación de los resultados. Esto ayudará a hacer de ti un profesional valioso, y serás capaz de contribuir a un desarrollo sostenible. La mayor parte de la materia que nos rodea se encuentra en estado sólido, líquido o gas. Indica cuáles de las siguientes características están presentes en cada uno: • Forma constante. • Volumen constante. • Se pueden comprimir. • Se expanden. • Para manipularlo necesitamos tenerlo en un recipiente (indica si es abierto o cerrado). ¿Qué es una mezcla homogénea? ¿Y una heterogénea? Pon ejemplos indicando qué sustancias forman la mezcla en cada caso. INTERPRETO LA IMAGEN Imagina que han dejado esta copa sobre una mesa y ves cómo evoluciona con el tiempo. ¿En qué estado físico se encuentra la copa? ¿Y la materia roja? ¿Y la blanca? ¿Por qué se sale de la copa la materia blanca? ¿Llegará a salirse de la copa toda la materia blanca? ¿Dejaremos de verla blanca? Explica qué le ocurre. ¿Influirá en el proceso la temperatura de la habitación? H A Z M E M O R I A EN ESTA UNIDAD. . . Los gases. Las leyes de los gases. Ley de Boyle-Mariotte. Ley de Gay-Lussac. Ley de Charles. La ecuación general de los gases ideales. La ecuación de estado de los gases ideales. La teoría cinética de los gases. Las disoluciones. 9
EL TRABAJO CIENTÍFICO RESUMEN 1 Observamos que al meter una botella de vidrio llena de agua en el congelador, se rompe. ¿Cuál o cuáles de las siguientes hipótesis es una hipótesis adecuada? ¿Por qué? a) ¿Qué le ocurre al agua en el congelador? b) El volumen del agua aumenta cuando se congela. c) La fuerza ejercida por el agua rompe el vidrio. 2 Realiza los siguientes cambios de unidades: a) 5 L ® cm3 d) 100 dm3 ® m3 b) 5 atm ® hPa e) 1000 mmHg ® atm c) 0,05 m3 ® L f ) 70 kPa ® atm A C T I V I D A D E S MAGNITUDES, UNIDADES Y CAMBIOS DE UNIDADES Magnitud es cualquier propiedad de la materia que se puede medir, es decir, que se puede expresar con un número y una unidad . Para cambiar la unidad en que se expresa una cantidad se utilizan factores de conversión. Unidades de presión hPa (hectopascal) ×100 : 100 Pa (pascal) : 101300 × 101300 atm (atmósfera) × 760 : 760 mmHg Unidades de volumen m3 × 1000 : 1000 dm3 L × 1000 : 1000 cm3 mL Una hipótesis es una respuesta provisional y debe ser comprobada. Se define el experimento: las magnitudes que se van a medir y en qué condiciones, y el material necesario. Obtención y análisis de datos Para la recogida de datos se pueden utilizar tablas, y para su representación y análisis, gráficas. 4 3 5 2 6 1 Observación de un fenómeno La actitud científica se caracteriza por observar un fenómeno y hacerse preguntas sobre él. Comunicación de resultados Las conclusiones de los estudios científicos muchas veces dan lugar a leyes y teorías científicas. Experimentación La hipótesis se comprueba mediante la realización de experimentos que reproduzcan el problema. Búsqueda de información ¿El problema ya tiene solución? ¿Estoy de acuerdo con la solución actual propuesta? ¿Se me ocurre otra posible explicación? Formulación de una hipótesis Reflexiona sobre lo que has averiguado y piensa en una respuesta razonable o predicción. Se publican los resultados en artículos y libros. El método científico es el conjunto de procesos y actitudes que los seres humanos emplean en el estudio y la explicación de los fenómenos que ocurren en el universo para llegar a conclusiones ciertas. Una hipótesis es una afirmación elaborada en el ámbito de una investigación de manera provisional y que puede ser cierta o no. E J E M P LO R E S U E LTO 1 Expresa 120 hPa en mmHg. Hay que utilizar un factor de conversión para cada cambio de unidad: 120 760 900 hPa 100 Pa 1 hPa 1 atm 101 300 Pa mmHg 1 atm mmHg ⋅ ⋅ ⋅ = Factor de conversión Factor de conversión Factor de conversión 10
1 1. Los gases 1.1. Los estados de la materia Recuerda los estados en que se presenta la materia y sus características. 1.2. El estudio de los gases El volumen que ocupa un gas depende de la temperatura y la presión a la que se encuentre. Se puede uti li zar el método cientí f ico para conocer la relación entre estas magnitudes. Como no se puede medir en una única experiencia la interdependencia de tres variables, diseñamos experimentos en los que se mantiene constante una de ellas (por ejemplo, la temperatura), modificamos la segunda variable (por ejemplo, el volumen) y medimos su efecto en la tercera ( la presión). La magnitud que modificamos es la variable independiente. Aquella en la que medimos el efecto es la variable dependiente. Además, tenemos que uti lizar un di spositivo que permita leer el valor de las tres magnitudes y modificar la variable independiente en cada caso. A partir del siglo xvii, varios científicos realizaron experiencias en Inglaterra y Francia que permitieron establecer las leyes de los gases. En todas las experiencias debemos medir las siguientes magnitudes: volumen (V), presión (p) y temperatura (T). R E T O 3 Imagina que representamos con bolitas las partículas que forman la materia. Prepara tres fichas con dibujos que expliquen las características de la materia en cada uno de los estados. Sólidos Tienen forma y volumen constante. No se expanden ni se comprimen . Líquidos Tienen forma variable, pero volumen constante. No se expanden , se comprimen muy poco. Gases Tienen forma y volumen variable. Se expanden y se comprimen . Dispositivo empleado para estudiar los gases. 30 L 20 L 10 L 0 L Termómetro Émbolo móvil (sube o baja para variar el volumen) Manómetro La t emperatura se debe expresar siempre en K (unidad SI). Si se mide en 8C, hay que reali zar el cambio de unidades: T (K) = T (8C) + 273 El volumen y la presión se pueden expresar en cualquier unidad . Debe ser la mi sma en toda la experiencia . Líquido 11
2. Las leyes de los gases. Ley de Boyle-Mariotte En el siglo xvii Rober t Boyle en Inglaterra y Edme Mariotte en Francia estudiaron cómo variaba la presión que ejercía un gas cuando se modificaba su volumen mientras se mantenía constante la temperatura . Reproducimos experiencias simi lares aplicando el método científico. Experiencia ⇒ Usamos un baño termostático (fija la temperatura al valor TA). • Movemos el émbolo para fijar el volumen al valor V1. • Leemos en el manómetro el valor de la presión del gas en el recipiente, p1. • Anotamos los valores de V1 y p1 en una fila de la tabla. • Repetimos hasta obtener varias filas de datos. ⇒ Modificamos la temperatura del baño termostático a TB. ⇒ Repetimos los pasos hasta obtener otra serie de datos. TA p1 TA p2 1 Obtención de datos 15 12 9 6 3 15 30 p (atm) V (L) 0 0 TA < TB TB TA Experiencia A, TA Experiencia B, TB V (L) p (atm) V (L) p (atm) 30 0,5 30 1 15 1,0 15 2 10 1,5 10 3 7,5 2,0 7,5 4 6,0 2,5 6,0 5 5,0 3,0 5,0 6 3,0 5,0 3,0 10 2 Tabla Gráfica variable dependiente variable dependiente variable independiente variable independiente Análisis de datos ⇒ Cuanto mayor es el volumen, menor es la presión, y viceversa. ⇒ En cada fila, el producto p × V es constante. Su valor depende de la temperatura. ⇒ La gráfica de p frente a V es una hipérbola. ⇒ La curvatura de la hipérbola depende de la temperatura. 3 Conclusión ⇒ En las condiciones de esta experiencia, la presión y el volumen son magnitudes inversamente proporcionales. 4 R E T O 4 Una persona que trabaja en ciencia debe saber explicar los fenómenos que observamos a nuestro alrededor. Por ejemplo, ¿por qué se aplasta una botella de plático cuando el avión desciende hasta aterrizar? p × V = cte. p1 × V1 = p2 × V2 Ley de Boyle-Mariotte Cuando un gas experimenta transformaciones a temperatura constante, el producto de la presión que ejerce por el volumen que ocupa permanece constante. 12
1 Relacionar la presión ambiental y la ley de Boyle-Mariotte Observa lo que le ocurre a una botella con agua durante el aterrizaje de un avión. ¿Por qué se aplasta la botella? • Dentro del avión, la temperatura permanece constante. • Encima del agua de la botella hay gas. En parte, agua que se ha evaporado, y en parte, aire que ha entrado a medida que la abríamos para beber. • Durante el descenso, se produce un aumento en la presión ambiental en la cabina. Esto hace que disminuya el volumen que ocupa el gas y la botella se aplaste. Es lo que predice la ley de Boyle-Mariotte. EJEMPLO RESUELTO 2 Volando en un avión a 10 000 m de altura y a 20 °C, tenemos una botella parcialmente llena de agua. En el espacio libre, quedan 200 mL ocupados por un gas a una presión de 750 hPa. Al aterrizar, sin que varíe la temperatura, la presión llega a ser de 1 atm. ¿Qué volumen ocupa el gas que hay en la botella? 1. Representa los dos estados del gas con sus magnitudes. p1 = 750 hPa V1 = 200 mL T1 = 20 °C p2 = 1 atm V2 = ¿? T2 = 20 °C 2. Identifica la ley a aplicar. Transformación a T = cte., aplica la ley de Boyle-Mariotte: ? ? p V p V 1 1 2 2 = . 3. O pera para despejar V2: p V p V V p p V 1 1 2 2 2 1 2 1 ⋅ ⋅ → ⋅ = = 4. E xpresa las cantidades de cada magnitud en las mismas unidades y sustituye los datos: 1 atm 103,25 hPa 1 atm 1013 hPa ⋅ = v p p v 2 1 2 1 = ⋅ = = hPa hPa 200 mL 148 mL El avión vuela a 10 000 m El avión ha aterrizado 5 I N T E R P R E T O L A I M AG E N . Introduce el émbolo de una jeringuilla hasta la primera marca (A). Luego tapa el orificio de salida con un dedo y empuja el émbolo con el pulgar (B). Observarás que el émbolo se introduce bastante en el cilindro. Ahora, sin dejar de tapar el orificio de salida, retira el pulgar y deja que el émbolo se mueva. Verás que vuelve a su posición inicial. a) ¿Qué hay dentro del cilindro de la jeringuilla durante todo el tiempo? b) ¿Cambia la cantidad de la materia que ocupa el interior de la jeringuilla durante la experiencia? c) ¿Qué le ocurre al volumen de esa materia cuando empujas el émbolo hacia abajo? ¿Por qué ocurre? 6 En un recipiente de 6 L se introduce gas nitrógeno a la presión de 5 atm. a) ¿Qué volumen ocupará si se duplica la presión sin que varíe la temperatura? b) ¿Qué presión habría que ejercer para que el volumen llegase a ser de 15 L? A C T I V I D A D E S A B 13
3. Las leyes de los gases. Ley de Gay-Lussac En el siglo xix el físico francés Gay-Lussac estudió cómo variaba la presión que ejercía un gas cuando se modificaba la temperatura mientras mantenía el volumen constante. Re produc imo s exp er i enc i as simi l are s apl i cando el método científico. Análisis de datos ⇒ Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la presión, y viceversa. ⇒ En cada fila, el producto p · T es constante. Su valor depende del volumen. ⇒ La gráfica de p frente a T es una recta. Si la prolongamos, pasa por el punto (0,0). ⇒ La pendiente de la recta depende del volumen. 3 Conclusión ⇒ En las condiciones de esta experiencia, la presión y la temperatura son magnitudes directamente proporcionales. 4 Experiencia ⇒ Fijamos la posición del émbolo para que el gas ocupe un volumen constante (VA). • Introducimos el recipiente en un baño y anotamos la temperatura que marca el termómetro, T1 (en K). • Leemos en el manómetro el valor de la presión del gas dentro del recipiente, p1. • Anotamos los valores de T1 y p1 en una fila de la tabla. • Calentamos el baño hasta que el termómetro marque una temperatura T2 y anotamos el valor de p2. • Repetimos hasta obtener varias filas de datos. ⇒ Modificamos la posición del émbolo para que el gas ocupe un volumen VB. ⇒ Repetimos para obtener otra serie de datos. 1 VA p1 VA p2 p T p T p T = = cte.; 1 1 2 2 Ley de Gay-Lussac Cuando un gas experimenta transformaciones a volumen constante, el cociente entre la presión que ejerce y su temperatura absoluta permanece constante. Obtención de datos 2 Tabla Gráfica variable dependiente variable dependiente variable independiente variable independiente Experiencia A, VA Experiencia B, VB T (K) p (atm) T (K) p (atm) 200 0,5 333 0,5 320 0,8 533 0,8 400 1,0 667 1,0 520 1,3 867 1,3 600 1,5 1000 1,5 1 2 500 1000 p (atm) T (K) 0 0 VA VB R E T O 7 ¿Por qué los envases de espray, como algunos de nata, recomiendan que no se acerquen al fuego ni cuando estén vacíos? T1 T2 VA < VB 14
1 ¿Pueden explotar los espráis de pintura? Los botes de espray tienen un gas a presión elevada (entre 2 y 8 atm) que facilita que salga su contenido al exterior. Estos botes son recipientes metálicos, por lo que el gas está a volumen constante. Si se acercan a un foco de calor, el gas se calienta y su presión aumenta (ley de Gay-Lussac). Puede suceder que la presión sea tan alta que las paredes del bote no la soporten y entonces explote. CIERTO : Si se tira un espray de pintura al fuego, puede explotar. V E R D A D O MENTI RA ? EJEMPLO RESUELTO 3 Cuando un espray de pintura de 500 mL se vacía, el gas que hay en su interior ejerce una presión de 1 atm a la temperatura ambiente, que es de 20 ºC. Si se acerca al fuego, puede alcanzar 800 ºC. ¿Qué presión ejercerá el gas en ese momento? 1. Representa los dos estados del gas con sus magnitudes. p1 = 1 atm V1 = 500 mL T1 = 20 °C p2 = ¿? V2 = 500 mL T2 = 800 ºC 2. Identifica la ley a aplicar. Transformación a V = cte., aplica la ley de Gay-Lussac. p T p T 1 1 2 2 = 3. O pera para despejar T2: p T p T p T p T T p p T 1 1 2 2 1 2 2 1 2 2 1 1 = → ⋅ = ⋅ → = ⋅ 4. A ntes de sustituir los datos, expresa todas las cantidades de cada magnitud en las mismas unidades. La temperatura debe estar expresada en kelvin: T1(K) = T1 (°C) + 273 = 20 °C + 273 = 293 K T2 (K) = T2 (°C) + 273 = 800 °C + 273 = 1073 K Aplica la ley de Gay-Lussac. p T T p 2 2 1 1 = = = ⋅ ⋅ 1073 K 293 K 1 atm 3, 7 atm 8 En un recipiente rígido de 700 cm3 se introdujo gas nitrógeno. El manómetro indicaba una presión de 100 kPa a 25 ºC. ¿A qué temperatura estará ahora si el manómetro indica una presión de 5 atm? 10 El manómetro de una bombona de 100 L indica que el gas de su interior ejerce una presión de 1 atm a temperatura ambiente (20 ºC). ¿Qué presión ejercerá cuando su temperatura llegue a ser de 130 ºC? 9 Con las ollas a presión se cocinan alimentos más rápido y con menos agua, pues a la elevada presión interior el agua hierve a más de 100 ºC. Observa el esquema y responde: a) ¿Qué tipo de materia hay en el espacio por encima del límite de llenado?¿En qué estado se encuentra? b) ¿Por qué tiene tapa hermética? c) Explica la función de las válvulas de escape y de seguridad. ¿Qué podría pasar si no las tuviesen? d) Es necesario vigilar que las válvulas no estén obturadas, por riesgo de explosión. Utiliza la ley de Gay-Lussac para explicar por qué podría llegar a explotar. A C T I V I D A D E S Válvula de escape (libera vapor cuando la presión llega al límite) Válvula de seguridad Tapa hermética Límite de llenado 15
4. Las leyes de los gases. Ley de Charles Si gui endo l a e st el a de Gay-Lussac , el f í si co francé s Jacqu e s Charles estudió en el siglo xix cómo variaba el volumen que ocupaba un gas cuando se modif icaba la temperatura a presión constante. Re produc imo s e xp er i enc i as simi l are s si gui endo el método científico. Análisis de datos ⇒ Cuanto mayor es la temperatura, mayor es el volumen, y viceversa. ⇒ En cada fila, el producto V × T es constante. Su valor depende de la presión. ⇒ La gráfica de V frente a T es una recta. Si la prolongamos, pasa por el punto (0,0). ⇒ La pendiente de la recta depende de la presión. 3 Conclusión ⇒ En las condiciones de esta experiencia, el volumen y la temperatura son magnitudes directamente proporcionales. 4 Experiencia ⇒ Elegimos el valor de la presión y lo mantenemos fijo subiendo o bajando el pistón (pA). • Introducimos el recipiente en un baño y anotamos la temperatura T1 (en K). • Subimos o bajamos el émbolo para que el manómetro marque pA y anotamos el volumen V1. • Anotamos los valores de T1 y V1 en una fila de la tabla. • Calentamos el baño hasta que el termómetro marque una temperatura T2 y anotamos el valor de V2 que mantenga en el manómetro el valor de pA. • Repetimos hasta obtener varias filas de datos. ⇒ Repetimos la experiencia haciendo que la presión del manómetro sea una diferente, pB. Obtenemos otra serie de datos. 1 pA T1 V1 pA T2 V2 Obtención de datos 2 Tabla Gráfica variable dependiente variable dependiente variable independiente variable independiente 2 6 4 200 400 600 V (L) T (K) 0 0 pA pB Experiencia A, pA Experiencia B, pB T (K) V (L) T (K) V (L) 100 2 200 2 150 3 300 3 200 4 400 4 250 5 500 5 300 6 600 6 R E T O 11 Piensa como una persona de ciencia: observa un fenómeno, busca información, propón hipótesis, etc. ¿Por qué se aplasta una botella de plástico con algo de agua en la nevera? Ley de Charles Cuando un gas experimenta transformaciones a presión constante, el cociente entre el volumen del gas y su temperatura absoluta permanece constante. V T V T V T = = cte.; 1 1 2 2 pA < pB 16
1 Relacionar los vuelos en globo y la ley de Charles La historia de los globos aerostáticos está muy relacionada con Jacques Charles. Sus estudios permitieron calcular el aumento de volumen que experimentaba un gas cuando se calentaba a una cierta temperatura, manteniéndose a la presión atmosférica. ¿Cómo se controla el vuelo de un globo? • Algunos globos están fabricados con un material flexible. En algunos globos se emplea un gas más ligero que el aire, inicialmente hidrógeno, hoy, helio. • Cuando se calienta, aumenta la temperatura del gas y se expande. Como el globo y su gas están en la atmósfera, el proceso se realiza a presión constante (la presión atmosférica). El volumen y la temperatura son directamente proporcionales (ley de Charles). • El globo, con el gas caliente, es menos denso que el aire, y puede ascender y sostenerse en vuelo. • Para descender, se deja de calentar el gas. Disminuye su temperatura y, con ello, el volumen en la misma proporción. • La densidad del aire del globo va aumentando y puede descender poco a poco. EJEMPLO RESUELTO 4 En nuestra cocina, que está a 30 ºC, tenemos una botella parcialmente llena de agua en cuyo espacio libre quedan 200 mL ocupados por un gas. La metemos en la nevera, donde la temperatura es de 4 ºC. ¿Qué volumen ocupa el gas que hay en la botella? Si la botella es de plástico blando, ¿qué le ocurre? 1. Representa los dos estados del gas con sus magnitudes. p1 = 1 atm V1 = 200 mL T1 = 30 °C p2 = 1 atm V2 = ¿? T2 = 4 °C 2. Identifica la ley a aplicar. Transformación a p = cte., aplica la ley de Charles. V T V T 1 1 2 2 = 3. O pera para despejar T2: V T V T V T V T T V V T 1 1 2 2 1 2 2 1 2 2 1 1 = → ⋅ = ⋅ → = ⋅ 4. A ntes de sustituir los datos, debes expresar todas las cantidades de cada magnitud en las mismas unidades. La temperatura debe estar expresada en kelvin: T1 (K) = T1 (°C) + 273 = 30 °C + 273 = 303 K T2 (K) = T2 (°C) + 273 = 4 °C + 273 = 277 K Aplica la ley de Charles: V T T V 2 2 1 1 = = = ⋅ ⋅ 277 303 200 mL 182,8 mL K K El gas ocupa un volumen menor. Si la botella es de plástico blando, se aplastará. 12 Un globo ocupa un volumen de 1 m3 a la temperatura de 20 °C. Se calienta el gas de su interior hasta 100 °C. ¿Cuál será ahora su volumen si el proceso tuvo lugar a la presión atmosférica? 13 Razona la veracidad de esta frase: «Cuando un gas sufre transformaciones a presión constante, su volumen y su temperatura son directamente proporcionales. Es decir, si su temperatura pasa de 20 °C a 40 °C, su volumen también se duplica». A C T I V I D A D E S 17
4. Las leyes de los gases. Ley de Charles Simular el comportamiento de los gases Cómo se hace La siguiente aplicación te permite simular el comportamiento de los gases. Podrás reproducir experiencias para ver el efecto de la temperatura en la velocidad de las partículas, deducir las leyes, etc. Se encuentra en phet.colorado.edu. 14 Simula las condiciones en las que un gas sufre transformaciones a V = cte. , p = cte. y T = cte. En cada caso, completa una tabla de datos de la variable independiente y la dependiente. Representa gráficamente los datos y deduce la ley correspondiente. Conclusiones 1. Elige el estudio de las Leyes. 2. Selecciona la magnitud que va a permanecer constante. 3. Selecciona si quieres que se muestre el Ancho del recipiente (da idea del volumen), el Cronómetro y el Contador de colisiones (da idea de la presión). 4. Sube el émbolo una o más veces para introducir partículas en la cámara del gas. 5. Sube o baja el deslizador para calentar o enfriar. La temperatura del recipiente se modificará en consecuencia (puedes hacer que se presente en ºC o en K). 6. Lee la presión que resulta (puedes elegir que se presente en kPa o en atm). Opciones para estudiar transformaciones a presión constante. El volumen del recipiente se modifica variando el ancho del mismo. 2 5 5 6 4 1 3 18
1 5. La ecuación general de los gases ideales Con frecuencia , los gases sufren transfor - maciones en las que no se mantiene constante ninguna magnitud . Establecemos la relación entre todas ellas combinando las tres leyes. Suponemos que el gas pasa del estado 1 al 2 pasando por el estado intermedio A y lo hace de este modo. R E T O 15 Observa la botella parcialmente llena de agua que vuela a 10 000 m de altura en un avión cuya cabina está a 20 ºC. ¿Cómo estará la botella cuando aterrice en un aeropuerto donde la temperatura es de 40 ºC? Estado 1 Transformación Estado A Transformación Estado 2 p1 T1 = TA = cte. pA VA = V2 = cte. p2 V1 Ley de Boyle-Mariotte VA Ley de Charles V2 T1 p1 × V1 = pA × VA TA p T p T A A = 2 2 T2 Despejamos pA, igualamos y reordenamos. T1 = TA y VA = V2. p p V V p p T T p V V p T T A A A A = ⋅ = ⋅ → ⋅ = ⋅ 1 1 2 2 1 1 2 2 1 2 ; Ecuación general de los gases ideales Relaciona p, V y T de un gas en dos estados cualesquiera . p V T p V T 1 1 1 2 2 2 × × = 16 Un cilindro de émbolo móvil contiene 3 L de gas nitrógeno a 900 hPa cuando se encuentra a 25 °C. ¿A qué temperatura se encontrará si el manómetro indica 2 atm y el volumen es de 1,5 L? 17 Un cilindro de émbolo móvil contiene 3 L de gas nitrógeno a 900 hPa cuando se encuentra a 25 °C. ¿Qué presión indicará el manómetro si el termómetro marca -20 °C y el volumen es de 1,5 L? A C T I V I D A D E S EJEMPLO RESUELTO 5 En un avión, a 20 °C, tenemos una botella parcialmente llena de agua. En el espacio libre, quedan 200 mL ocupados por un gas a una presión de 750 hPa. Luego descendemos, donde la temperatura es de 40 °C y la presión es de 1 atm. ¿Qué volumen ocupa el gas que hay en la botella? 1. Representa los dos estados del gas con sus magnitudes. p1 = 750 hPa V1 = 200 mL T1 = 20 °C p2 = 1 atm V2 = ¿? T2 = 40 °C 2. Comprueba que no se mantiene constante ninguna magnitud. Debes utilizar la ecuación de los gases ideales. p T p T 1 1 1 2 2 2 ⋅ = ⋅ V V 3. O pera para despejar V2: p T p T p T p T 1 1 1 2 2 2 1 1 2 2 2 1 ⋅ = ⋅ → ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ V V V V ® V p V p T T 2 1 1 2 1 2 = ⋅ ⋅ ⋅ 4. A ntes de sustituir los datos, debes expresar todas las cantidades de cada magnitud en las mismas unidades. • Cambia las unidades de presión: 1 hPa 1 hPa atm atm ⋅ = 1013 25 1013 , • La temperatura debe estar expresada en kelvin: T1 (K) = T1 (°C) + 273 = 20 °C + 273 = 293 K T2 (K) = T2 (°C) + 273 = 40 °C + 273 = 313 K V V 2 1 1 2 1 2 = ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ = p p T T 750 hPa 200 mL 1013 hPa 293 313 K K 158 mL El aumento de temperatura hace que el volumen disminuya menos que en el ejemplo resuelto 2. 19
La presión que ejerce un gas en un recipiente depende del número de partículas del mismo. Esto se relaciona con la masa del gas por medio de su masa molar. Ecuación de estado de los gases ideales: p V T ⋅ =cte. Para 1 mol de cualquier gas a 105 Pa y 0 °C: p V T R ⋅ ⋅ ⋅ = → 0 , 082 atm L mol K . En general , para n moles: p V T n R ⋅ = ⋅ . Ecuación general de los gases ideales Relaciona p, V y T de un gas con la cantidad de sustancia , n. p × V = n × R × T 6. La ecuación de estado de los gases ideales R E T O 18 Si tenemos dos bombonas iguales, a la misma temperatura y con la misma masa de gas, pero una con helio y otra con dióxido de carbono, ¿estarán a la misma presión? ¿Por qué? En química se usa a menudo la magnitud cantidad de sustancia, n, cuya unidad en el SI es el mol . A 105 Pa y 0 8C un mol de un gas ocupa un volumen de 22,7 L. Las unidades de R determinan que p se mida en atm, V en L y T en K. EJEMPLO RESUELTO 6 En una ampolla de 2 L de capacidad tenemos 11 g de dióxido de carbono gaseoso. ¿Qué presión ejercerá si la temperatura es de -10 °C? 1. Se relaciona p, V y T de un gas con su masa. Debemos utilizar la ecuación de estado de los gases ideales. p × V = n × R × T • Calcula la cantidad de sustancia del gas. (Busca la masa atómica de los elementos en la tabla periódica del anexo). M(CO2) = 12 + 16 × 2 = 44 g/mol n = ⋅ = 11 g CO 1 mol CO 44 g CO mol CO de de de de 2 2 2 2 0 , 25 • Expresa la temperatura en kelvin T (K) = T (°C) + 273 = -10 °C + 273 = 263 K 2. Despeja y sustituye los datos: p n R T V = ⋅ ⋅ " p = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = 0,25 mol 0,082 atm L mol K 263 K 2 L 2, 7 atm 19 En una ampolla de 2 L hay 11 g de gas helio. ¿Qué presión ejercerá si T = -10 °C? Compara el resultado con el del ejemplo y explica la diferencia. 20 ¿Qué masa de gas helio habría que introducir en una ampolla de 2 L, a la temperatura de -10 °C, para que ejerza una presión de 2,7 atm? A C T I V I D A D E S El mol La masa de un mol de una sustancia (masa molar, M) coincide con la suma de la masa de todos los átomos de su fórmula expresada en gramos. Masa de una sustancia = Cantidad de sustancia × masa molar m = n × M En el SI, la unidad de masa es el kilogramo. Pero en química, para medir la cantidad de materia el SI establece otra unidad, el mol . El mol lo forman 6,022 × 1023 partículas (átomos, moléculas o iones). Número de Avogadro, NA 20
1 7. La teoría cinética de los gases Llamamos gas ideal a aquel en que podemos despreciar las fuerzas entre sus partículas. El estudio científico de los gases dio lugar al establecimiento de una teoría que explica sus leyes y predice otros comportamientos. Es la teoría cinética de los gases, establecida en el siglo xix a par tir de los trabajos de James C. Maxwell y Ludwig E. Boltzmann . R E T O 21 Imagina las partículas de los gases como pequeñas bolitas. Trabaja como una persona de ciencia. Prepara fichas con dibujos que expliquen cada una de las leyes de los gases. TEORÍA CINÉTICA DE LOS GASES El volumen que ocupan las partículas de gas es mucho menor que el del recipiente. Por eso consideramos que el volumen que ocupa el gas coincide con la capacidad del recipiente (a diferencia de los líquidos o los sólidos). La presión que ejerce el gas es una medida del número de choques por segundo que dan sus partículas contra las paredes del recipiente. No existen fuerzas de unión entre las partículas de un gas. Por eso se mueven con total libertad. Las partículas del gas se mueven en línea recta. Solo cambian de dirección cuando chocan con otras partículas o con las paredes. El choque es completamente elástico, sin pérdida de energía. Mantienen el valor de su velocidad. La velocidad de las partículas del gas es proporcional a su temperatura absoluta. Cuanto mayor sea la velocidad, mayor la temperatura. Los gases están formados por partículas muy pequeñas que se mueven, aisladas unas de otras, por todo el recipiente. Llamamos cero absoluto a la temperatura a la que las partículas de un gas dejarían de moverse (0 K). Es la temperatura más baja posible. En ella se inicia la escala Kelvin, que solo tiene valores de temperatura positivos. T = 1000 K T = 300 K T = 0 K T = -273,15 °C Aumenta la temperatura Aumenta la velocidad de las partículas T = 26,85 °C T = 726,85 °C 6 4 2 1 5 3 Choque contra las paredes ® presión Recipiente Partículas de gas 21
7. La teoría cinética de los gases 7.1. La teoría cinética y las leyes de los gases La teoría cinética explica el comportamiento de los gases y todas las leyes descubiertas experimentalmente. Para que la temperatura permanezca constante, la velocidad de las partículas debe ser constante. Si disminuye el volumen del recipiente, las partículas llegan antes a las paredes, aumenta el número de choques por segundo y aumenta la presión . Si se calienta el gas, sus partículas se mueven a mayor velocidad y aumenta su temperatura . Para que la presión permanezca constante, debe aumentar el volumen del recipiente, a fin de que se mantenga el ritmo al que las partículas chocan contra las paredes. Si se enfría el gas, las partículas sufren el proceso inverso. Para que se mantenga la presión , debe mantenerse el ritmo de choque de las partículas contra las paredes. Debe disminuir el volumen del recipiente. Al calentar el gas, sus partículas se mueven a mayor velocidad y aumenta su temperatura . Si el volumen del recipiente es constante, las partículas llegan antes a las paredes. Aumenta el número de choques por segundo y la presión . Si el gas se enfría , las partículas sufren el proceso inverso y disminuye la presión . Las partículas de todos los gases ideales se comportan como indica la teoría cinética . En recipient es de igual volumen y t emperatura , la presión depende solo del número de par tículas, con independencia de que sean de un gas u otro ( por ejemplo, hidrógeno o dióxido de carbono). p1 V1 p2 V2 L E Y D E B O Y L E - M A R I O T T E L E Y D E C H A R L E S L E Y D E G AY - L U S S A C E C U A C I Ó N D E E S T A D O D E L O S G A S E S I D E A L E S T = cte. p1 × V1 = p2 × V2 p × V = n × R × T T2 p1 T1 p2 T2 p1 T1 p2 V = cte. p T p T 1 1 2 2 = p = cte. V T V T 1 1 2 2 = T1 T2 V1 V2 22 Explica estos hechos teniendo en cuenta la teoría cinética de los gases: a) El aroma del incienso que quemamos en una esquina de la habitación se acaba percibiendo en toda la habitación. b) Con frecuencia, en invierno hay que rellenar de aire los neumáticos de los coches. 23 Así como es frecuente utilizar tablas de densidad de sustancias sólidas y líquidas, nunca manejamos datos de densidad de gases. Utiliza la teoría cinética para explicar por qué la densidad de los gases depende tanto de las condiciones en que se encuentran. Partiendo de un gas que está en un estado, razona dos modos diferentes de hacer que aumente su densidad. A C T I V I D A D E S 22
1 Comunicar un estudio científico Conclusiones 24 Un artículo científico presenta distintos apartados: Título. Nombre y referencia de todos los investigadores. Introducción. Métodos de investigación. Resultados. Análisis de los resultados. Artículos informativos. Referencias bibliográficas. Analiza qué parte de este contenido se recoge en el artículo periodístico. 25 Algunos trabajos científicos tienen consecuencias sociales. Imagínate que eres responsable del área de infancia y juventud de tu ayuntamiento. Escribe una carta a las distintas organizaciones (deportivas, recreativas, vecinales, etc.) con cinco recomendaciones para evitar el problema del «humo de tercera mano». Justifícalas en el contenido de este artículo y en todo lo que has aprendido acerca de los gases. Por ejemplo, ¿cómo puede llegar a los niños el humo del tabaco que fuman los adultos? Hallan restos de tabaco en las manos de la mayoría de niños, incluso de padres no fumadores Un estudio ha detectado nicotina en el 97 % de los más de 500 menores analizados. … su costumbre de tocar y llevar a la boca los hace vulnerables al humo de tercera mano, el residuo químico del humo del tabaco que queda en el polvo y en las superficies después de que alguien fume o vapee. Investigadores de la Universidad Estatal de San Diego [EE. UU.] han tomado muestras de las manos de niños de hasta 11 años para medir su nivel de nicotina. Los resultados muestran que más del 97 % de los 504 niños tenían nicotina en las manos. Y lo más sorprendente: más del 95 % de los menores analizados que viven en hogares de no fumadores también presentaban este residuo. Más concienciación Melinda Mahabee-Gitt ens, médica de urgencias p edi átr i cas e inve sti gadora clíni ca en el C entro M é d i c o d e l H o s p i t a l I n f a n t i l d e C i n c i n n a t i [EE. UU.] y que ha dirigido la recopilación de datos, entiende que «uno de los resultados de esta investigación debería ser incluir el humo de tercera mano como parte de los programas educativos para que los padres dejen de fumar». Las familias más desfavorecidas, más expuestas «Los niños de fami lias desfavorecidas y los hijos de padres negros son los que más sufren esta exposición involuntaria». L A VANGUARDIA 78,4 62,1 49,1 38,8 30,6 24,1 19,0 14,8 11,6 9,0 6,9 5,3 4,0 3,0 2,2 1,5 1,0 £ 15 000 > 15 000 a 30 000 > 30 000 a 50 000 > 50 000 a 75 000 > 75 000 a 90 000 > 90 000 a 120 000 > 120 000 Protegido Expuesto Nicotina en las manos (ng) Gráfica presente en el artículo científico original Ingresos familiares ($) 23
Las disoluciones son mezclas homogéneas de dos o más sustancias. Mezcla homogénea es aquella en la que no se pueden distinguir sus componentes por procedimientos ópticos. Recuerda los componentes de una disolución : 8. Las disoluciones R E T O 26 La ciencia emplea modelos. Imagina las partículas de la materia como pequeñas bolitas. Prepara fichas con dibujos que expliquen cómo se encuentran las distintas sustancias en las siguientes mezclas. a) Agua con azúcar. b) Aire. c) Arena y azúcar. Disolvente Es el componente que está en mayor proporción . Disolución Es una mezcla homogénea de dos o más componentes. Soluto Es el componente (o componentes) que está en menor proporción . A B C Una disolución diluida es la que tiene poca cantidad de soluto con respecto al disolvente. 27 Indica cuáles de las siguientes son disoluciones. En estas últimas identifica el disolvente y el o los solutos: a) Infusión de té b) Aire. c) Granito. d) Bronce con azúcar. (cobre + estaño). A C T I V I D A D E S Una disolución concentrada es la que tiene mucha cantidad de soluto con respecto al disolvente. Si el soluto tiene color, la disolución concentrada presenta un color más intenso. 24
8.1. La concentración de las disoluciones La concentración de una disolución indica la cantidad de soluto que hay en una determinada cantidad de disolución o de disolvente. Conocer la concentración de una disolución es fundamental para su aplicación . Se puede expresar de distintas formas. 28 Indica qué disolución es más concentrada, una que se prepara disolviendo 10 g de azúcar en 100 g de agua o una que se prepara disolviendo 5 g de azúcar en 20 g de agua. Si las pruebas, ¿cuál sabría más dulce? 29 El suero fisiológico se prepara disolviendo 9 g de sal por cada litro de agua. a) Calcula su concentración expresada como porcentaje en masa. b) ¿Qué cantidad de sal necesitarías para preparar 200 g de suero fisiológico? 30 Para preparar un desinfectante mezclamos 200 mL de agua destilada con 400 mL de alcohol etílico y 10 mL de alcohol bencílico. Determina la concentración de cada alcohol expresada como porcentaje en volumen. Supón que los volúmenes son aditivos. 31 Según la OMS, para que un gel hidroalcohólico tenga efecto viricida (mate los virus) debe tener entre un 70 % y un 90 % de alcohol. ¿Qué tendrías que añadir al desinfectante anterior para que tenga efecto viricida? ¿En qué cantidad? A C T I V I D A D E S 1 Porcentaje (%) en masa (o riqueza) Indica la masa de soluto que hay por cada 100 unidades de masa de disolución : deben expresarse en las mismas unidades % en masa de soluto = ⋅ masa de soluto masa de disoluci n 100 ó Porcentaje (%) en volumen Indica el volumen de soluto que hay por cada 100 unidades de volumen de disolución : deben expresarse en las mismas unidades % en volumen de soluto = ⋅ volumen de soluto volumen de disoluci n 100 ó EJEMPLO RESUELTO 7 Se ha preparado una disolución mezclando 100 g de agua, 10 g de azúcar y 5 g de sal. a) ¿Cuál es el porcentaje en masa del azúcar? b) ¿Cuál es el porcentaje en masa de la sal? a) Porcentaje en masa de azúcar: % mazúcar = + + ( ) ⋅ = 10 g de az car 100 10 5 g de disoluci n 100 ú ó 8, 7 % b) Porcentaje en masa de sal: % msal = + + ( ) ⋅ = 5 g de sal 100 10 5 g de disoluci n 100 ó 4, 35 % EJEMPLO RESUELTO 8 Un vino de crianza tiene un 14 % en volumen de alcohol. ¿Qué volumen de alcohol ingiere una persona cuando toma una copa de 150 mL de ese vino? % Valcohol = ⋅ V V alcohol disolución 100 Sustituye los valores y despeja: 14 100 14 100 = ⋅ = = ⋅ V V alcohol alcohol 150 mL 150 mL ; 21 mL También se puede resolver con factores de conversión: 150 mL de vino 14 mL de alcohol 100 mL de vino ⋅ =21 mL de alcohol 25
Concentración en masa (C) Indica la cantidad en masa de soluto que hay en cada unidad de volumen de disolución : Csoluto = masa volumen soluto disolución En el SI se debe medir en kg/m3, aunque lo más habitual es medirlo en g/cm3, g/L, μg/L. Molaridad (M) Indica la cantidad de sustancia (en número de moles) de soluto por litro de disolución : M = n L soluto disolución Esta forma de expresar la concentración es la más adecuada cuando las sustancias inter vienen en reacciones químicas. 32 Una lata de refresco contiene 330 mL de líquido que lleva disueltos unos 35 g de azúcar. a) ¿Cuál es su concentración en g/L? b) La OMS recomienda que los menores de 13 años no tomen más de 16 g de azúcar al día, y quienes rebasen esa edad, 25 g. Suponiendo que solo tomases el azúcar del refresco, ¿cuál es la máxima cantidad de refresco que la OMS recomienda tomar en un día? 33 En los análisis de sangre se indica como valor normal de glucosa el intervalo 70-105 mg/dL. En una muestra de 20 mL de sangre se detectan 17 mg de glucosa: a) ¿Está dentro del valor normal? b) Expresa la concentración en g/L. 34 El hidróxido de magnesio (Mg(OH)2) se utiliza como medicamento antiácido. Una preparación comercial típica contiene 200 mg/mL. a) Calcula la concentración molar del Mg(OH)2. b) El prospecto indica que la dosis máxima para un adulto es de 12,5 mL/día. ¿Cuántos moles de hidróxido de magnesio se pueden tomar como máximo? 35 El glucómetro indica que el nivel de glucosa en sangre de una persona es de 5,3 mmol/L. a) Calcula su molaridad. b) La fórmula de la glucosa es C6H12O6. Expresa esta concentración en g/L y en mg/dL. A C T I V I D A D E S 8. Las disoluciones EJEMPLO RESUELTO 9 Calcula la concentración en g/L de una disolución que se prepara disolviendo 5 g de sal en agua hasta tener un volumen de 250 mL. Csoluto = masa volumen soluto disolución Sustituye los datos y resuelve: Csoluto 5 g 250 mL 0,02 g mL = = =20 g L Observa que puedes elegir las unidades en que se expresa la concentración en masa. EJEMPLO RESUELTO 10 Calcula la concentración molar de una disolución que se prepara disolviendo 5 g de sal en agua hasta tener un volumen de 250 mL. • Necesitas conocer la cantidad de sustancia de soluto. Calcula su masa molar. Lee las masas atómicas en la tabla periódica. M (NaCℓ) = 22,99 + 35,45 = 58,44 g/mol 5 g de NaCℓ × 1 mol 58,44 g de NaC = 0,086 mol de NaCℓ • Sustituye los datos y calcula: M n L = = = soluto disoluci n 0,086 mol 0,25 L ó 0, 34 mol L ℓ 26
Diferenciar entre concentración en masa y densidad Aunque se pueden expresar en las mismas unidades, la concentración en masa y la densidad representan distintas características: c m V s D = = masa de soluto volumen de disolución d m m V s d D = + = + masa de soluto masa de disoluci n volumen de disoluci n ó ó Se puede determinar la densidad de una sustancia pura y de una disolución, pero solo se puede medir la concentración de una disolución (dos o más sustancias). 36 Se disuelven 3 g de glucosa (C6H12O6) en 20 mL de alcohol (d = 0,8 g/L). La disolución resultante ocupa 21 mL. Calcula la densidad de la disolución y la concentración de glucosa expresada en % en masa, g/L y M. Conclusiones 1 EJEMPLO RESUELTO 11 Se mezclan 35 mL de etanol (C2H5OH, alcohol etílico) con 15 mL de agua y se obtiene una disolución cuya densidad es 0,89 g/cm3. Sabiendo que detanol = 0,79 g/cm3 y dagua = 1 g/cm3, calcula la concentración de la disolución expresada como: a) Porcentaje en masa de etanol. b) Porcentaje en volumen de etanol. c) Gramos de etanol por litro. d) Moles de etanol por litro. Organiza los datos en el esquema siguiente: Disolución ddisolución = 0,89 g/cm3 Soluto: agua 15 mL, dagua = 1 g/cm3 Disolvente: etanol 35 mL, detanol = 0,79 g/cm3 Aunque la concentración de una disolución suele referirse al soluto, como aquí es agua, se refieren al disolvente, que es el componente más importante. a) Con el dato de la densidad, calcula la masa de cada componente: magua 15 1 g 1 g mL mL = ⋅ =15 malcohol mL mL 10,79 g 27,65 g = ⋅ = 35 1 % m m m alcohol alcohol disoluci n = ⋅ ó 100 %malcohol 27,65 g 27,65 g 15 g 100 = + ⋅ =64, 83 % b) El volumen que resulta al mezclar dos sustancias puede no coincidir con la suma de los volúmenes. La masa de la mezcla sí coincide con la suma de las masas. Con ese dato y la densidad de la disolución, calcula el volumen: d m v V m d V = → = = + disoluci n disoluci n disoluci n disoluci ó ó ó ón 15 27 , 65 0 89 100 g g cm 47,92 mL 3 alcohol disoluci n alco , % % = = ⋅ V V V V alcohol ó hol 35 mL 47,92 mL = ⋅ = 100 73, 04 % c) La concentración en etanol es: C m V etanol etanol disoluci n 27,65 g 47,92 10 L = = ⋅ = − ó 3 577 g / L d) Para calcular la molaridad, hay que calcular la cantidad de sustancia de etanol. M (C2H5OH) = 12 × 2 + 1,008 × 6 + 16 = 46,05 g/mol 27,65 1 mol 46,05 0,6 mol g de etanol g de etanol ⋅ = M n V etanol etanol disoluci n 0,6 mol L = = ⋅ = ó 47 92 10 3 , 125 M 27
RkJQdWJsaXNoZXIy