Presentación-FQE-Etapa 1 PDF

1.1 Reacciones y ecuaciones químicas Reacción química En la vida cotidiana, podemos observar una infinidad de cambios químicos que sufre la materia cuando se elaboran los alimentos, al procesar los alimentos que ingerimos, en la absorción de las sustancias que nuestro cuerpo requiere para las funci...

1.1 Reacciones y ecuaciones químicas Reacción química En la vida cotidiana, podemos observar una infinidad de cambios químicos que sufre la materia cuando se elaboran los alimentos, al procesar los alimentos que ingerimos, en la absorción de las sustancias que nuestro cuerpo requiere para las funciones esenciales, en el proceso de combustión que hace que se muevan En estos cambios las sustancias los automóviles, etc. reaccionan para formar sustancias nuevas de propiedades y composición distintas a las originales. Pueden ser desde lo más simple hasta lo más complejo. A dichos cambios químicos se les conoce como reacción química. Ecuación química Para representar simbólicamente que ha ocurrido dicho cambio o reacción, los químicos utilizan la ecuación química, los átomos de los reactivos se conservan y no se pierden durante la reacción. Tanto reactivos como productos se describirán por medio de símbolos, ya sea de un elemento o de un compuesto, y se encontrarán separados por una flecha de acuerdo con el sentido de dicho cambio. Los reactivos se encuentran a la izquierda de la flecha y los productos a la derecha de la misma. Las sustancias nuevas a las que se denomina productos. ❑ Los reactivos. Son las sustancias iniciales que intervienen en una reacción química. ❑ Los productos. Son las sustancias que resultan de la combinación de los reactivos, sus características son completamente distintas a las originales.  Evidencias de reacción química Al ocurrir una reacción, los enlaces entre los átomos de los reactivos se rompen, lo cual forma nuevos enlaces para dar lugar a los productos. En las reacciones químicas, las sustancias obtenidas deben tener el mismo número de átomos de cada uno de los elementos de las sustancias iniciales, ya que los átomos no se pueden ganar o perder durante una reacción; la reacción química se debe escribir como una ecuación balanceada, donde se muestre el mismo número de átomos por cada elemento en ambos lados de la flecha. Es importante identificar las señales que indican que ha ocurrido una reacción química: ✔ Cambio de color un material ✔ Burbujeo ✔ Formar un precipitado ✔ Desprender un gas ✔ Se produce una flama El enfoque científico para la resolución de problemas El procedimiento que emplea la química para estudiar la naturaleza es el método científico, el cual es un enfoque sistemático para la investigación. En la vida diaria, en cualquiera de nuestras actividades, nos encontramos resolviendo problemas. Para ello, si utilizamos el razonamiento crítico, el proceso que se emplea para poder resolverlos es: ▪ Reconocer y enunciar el problema. (observación) ▪ Proponer soluciones al problema y dar la explicación; (formulación de hipótesis) ▪ Determinar cuál será la mejor solución; buscando la información necesaria y pertinente o bien buscando nueva información (experimentación) La relación de la química con otras ciencias La Química es considerada como la ciencia central, ya que mediante sus leyes y teorías se relaciona con otras ciencias, tales como la Física, la Biología, la Astronomía, entre otras; recibiendo de alguna de ellas el apoyo para su desarrollo, colabora con el estudio de otras ciencias, formando nuevos campos del saber. 1.2 La materia Clasificación de la materia La materia, es todo lo que ocupa un lugar en el espacio y tiene masa; esta se clasifica según los componentes y sus propiedades y estas, a su vez, se clasifican en sustancias puras y mezclas. Sustancias puras Una sustancia pura es un modo de materia de la cual se constituyen las cosas, tienen una composición fija y constante, lo que la hace definida. Se clasifican en: Elementos Compuestos Son la forma más simple de materia, pues se componen de Son sustancias que se forman con la combinación química de dos o átomos en su partícula más pequeña, por lo que son imposibles más elementos en determinada proporción fija y estas se pueden de descomponer mediante procesos físicos o químicos. descomponer por medio de procesos químicos en sustancias más simples. El átomo es la partícula más pequeña que conserva las Ejemplos de compuestos: propiedades del elemento. Ácido clorhídrico Carbonato de calcio Por ejemplo, el oro, la plata, el cobre y el calcio. Bicarbonato de sodio  Velocidad de la reacción La velocidad de reacción describe lo rápido que puede ocurrir un cambio en la materia al reaccionar los reactivos para formar los productos Factores que influyen en la velocidad de una reacción química ✔ La división de las partículas. El dividir las partículas, permitirá que estas reaccionen más fácilmente. ✔ Naturaleza. Depende del reactivo que esté reaccionando; se obtiene una energía de activación, que en ocasiones se presenta rápidamente y en otras sustancias es más lenta. ✔ Concentración. Cuanto mayor sea la concentración de los reactivos, mayor será la velocidad de la reacción, ya que aumentan las colisiones por haber mayor cantidad de partículas. ✔ Temperatura. Un aumento en la temperatura incrementa la colisión de las partículas, ya que estas se moverán más rápidamente. ✔ Catalizadores. Son sustancias que pueden ayudar a disminuir o aumentar la rapidez de la reacción, pero no se transforman. Balanceo de ecuaciones químicas En las reacciones químicas la materia no se crea ni se destruye. Los átomos de los reactivos de las sustancias involucradas construyen los productos y debe haber la misma cantidad de átomos tanto en reactivos como en productos. Al hecho de cumplirse esta regla se le conoce como balanceo de la ecuación química para una reacción. Para que una ecuación química quede balanceada es necesario verificar la ecuación original. Las fórmulas no se deben alterar durante el balanceo, no se deben modificar los subíndices; en el balanceo hay ensayo y error, hasta que se encuentre la misma cantidad de átomos tanto en reactivos como en productos. Uno de los métodos más sencillos es el método del tanteo. Balanceo de ecuaciones por el método del tanteo Verificar la cantidad de átomos de cada uno de los elementos en la reacción. Cuando no se encuentra la cantidad de átomos, se dice que no se encuentra balanceada. Si la ecuación no se encuentra balanceada, se procede a colocar coeficientes que igualen la cantidad de átomos tanto en reactivos como en productos.  Clasificación de las reacciones químicas Las reacciones químicas ocurren cuando las moléculas de los reactivos interactúan, provocándose a su vez un cambio químico, en donde se producen sustancias diferentes a las iniciales, ya sean átomos o moléculas. De acuerdo con la energía que requieren o que liberan, se clasifican en: ✔ Exotérmicas. Reacciones que liberan energía en forma de luz y calor. ✔ Endotérmicas. Reacciones que requieren energía para poderse llevar a cabo. ✔ Energía de activación. Es la cantidad mínima de energía requerida para romper ✔ los enlaces e iniciar una reacción química. ✔ Calor de reacción. Es la cantidad de energía que se libera al producirse una ✔ reacción química. La clasificación de las reacciones de acuerdo con el mecanismo por el cual se someten los reactivos a cierto proceso es la siguiente: Reacción de síntesis A estas reacciones también se les llama de combinación, ya que dos reactivos se combinan para formar una sustancia nueva, es decir, con propiedades distintas. Reacción de descomposición A estas reacciones también se les conoce como de análisis. En ellas un reactivo se divide y forma dos o más sustancias nuevas; para que esto ocurra, se debe aplicar energía externa (calentar). Reacción de desplazamiento simple o de sustitución En este tipo de reacciones, un elemento químico sustituye a otro elemento que se encuentra contenido en un compuesto, el cual es liberado como una sustancia simple. Reacción de doble desplazamiento o doble sustitución En estas reacciones, dos compuestos intercambian entre sí partes de sus estructuras. Las sustancias que reaccionan intercambian iones (anión y catión). Leyes estequiométricas de las combinaciones químicas Cuando se trabaja con reacciones químicas, es importante pronosticar la cantidad de sustancias que se obtendrán a partir de los reactivos que se utilizan. A los cálculos utilizados en este proceso se les denomina estequiometría; los reactivos involucrados en la reacción se expresan en masa, volumen, mol o moléculas. Los cálculos se basan en los coeficientes estequiométricos en la ecuación, para lo cual es importante contar con la ecuación balanceada. La estequiometría toma como referente las leyes ponderales o estequiométricas que expresan las relaciones cuantitativas entre las sustancias que intervienen en las reacciones; estas juegan un papel primordial en la teoría atómico-molecular de la materia. Dichas leyes ayudan a determinar los pesos y volúmenes de las sustancias que están involucradas en una reacción y se enuncian a continuación: Ley de Antoine Lavoisier (ley de la conservación de la materia) Antoine Lavoisier postuló la ley de la conservación de la materia después de haber realizado una serie de estudios teóricos y experimentales que involucraban reacciones químicas. En ellas observó que la cantidad de las sustancias de los reactivos se mantenía en igual proporción después de ocurrida la reacción, por lo que esta ley menciona que “la materia no se crea ni se destruye, solo se transforma”. También hace referencia a que, en cualquier reacción química, la masa se conserva, es decir, la masa total de los reactivos es igual a la masa total de los productos. Así, esta resulta una de las leyes fundamentales en las ciencias naturales. Ley de Proust (ley de las proporciones constantes o definidas) El químico Joseph Louis Proust enunció la ley de las proporciones constantes o definidas, la cual se establece a partir de una serie de análisis cuantitativos, en donde se observó que al unirse los elementos y formar un compuesto, lo hacen en la misma cantidad y esta permanece fija. Por lo que esta ley afirma: los elementos que forman un compuesto se combinan siempre en la misma proporción. Para mencionar esta proporción se utiliza la razón: El H2 y O2 se combinan en proporción de 1 a 8. Ley de Dalton (ley de las proporciones múltiples) Esta ley es fruto de distintas investigaciones, pero se le atribuye a John Dalton, quien la enunció a partir de los estudios que realizó sobre las proporciones en que se combinan elementos para formar compuestos. Esta ley menciona que, cuando dos elementos se combinan para formar más de un compuesto, las proporciones en que lo hacen en los diferentes compuestos guardan entre sí una relación de números enteros sencillos. Ley de la composición centesimal También conocida como la composición porcentual en masa, esta ley define el porcentaje en masa de cada elemento que se encuentre presente en un compuesto. Una ley fundamental de la química afirma que en todo compuesto químico que esté formado por dos o más elementos diferentes, estos se encuentran presentes en dicho compuesto. Unidades de medición estequiométricas En química se estudia la relación de las moléculas que se encuentran en los reactivos y en los productos dentro de una reacción química, por lo que es importante conocer conceptos tales como: Masa atómica La masa atómica es la cantidad de materia que se encuentra contenida en los átomos de los elementos, siendo el total de la masa de protones y neutrones. Es fundamental identificarla, ya que puede confundirse con el peso atómico. Ejemplo de la ubicación de la masa atómica en la tabla periódica:  Masa molecular Es la masa que contiene la molécula de un determinado Peso atómico compuesto. Se obtiene al sumar Es la masa promedio de todos los las masas atómicas relativas de isótopos de un elemento que ocurren todos los átomos que forman la en forma natural. molécula y las unidades de medida son la uma o la u determinada por el Sistema Internacional de Unidades. Mol Volumen molar Para establecer la relación entre las sustancias En una reacción química, las sustancias presentes en una reacción se emplea el mol, que gaseosas presentes guardan una relación se define como la cantidad de materia que de números sencillos entre ellas; es el contiene un determinado número de entidades volumen que ocupa un mol de cualquier elementales (átomos, moléculas, etc.), que sustancia en estado gaseoso a 0 grados equivale a la cantidad de átomos que hay en 12 centígrados y 1 atmósfera, equivale a 22.4 gramos del isótopo carbono-12 (12C). Lt/mol. 1.3 Relaciones ponderales estequiométricas Usos y aplicaciones de la estequiometría Las relaciones estequiométricas son aquellas que determinan la cantidad de sustancias que se encuentran involucradas en una reacción química. Para cuantificar estas sustancias se presentan los siguientes tipos de relaciones: Relación mol-mol Según la ley de conservación de la materia, el cálculo de mol a mol se efectúa en una ecuación química que se encuentra balanceada. Al conocer la cantidad de moléculas que están involucradas en una reacción química, se puede establecer el número de moles de un reactivo o producto. Según la reacción:  Reactivo limitante y en exceso Al llevar a cabo una reacción química, generalmente los reactivos no se encuentran en cantidades estequiométricas exactas, por lo que es importante realizar el cálculo de los reactivos que estén presentes e identificar: Reactivo limitante. En una reacción química, es aquel que durante la reacción se consume por completo y es el que determina la cantidad de masa de producto que se formará, ya que si es consumido por completo no podrá formarse más producto. Reactivo en exceso. Es el que, durante la reacción, no reacciona completamente tras haberse consumido el reactivo limitante, por tanto, es el que sobra, ya que, como dijimos, queda una parte sin reaccionar. Rendimiento real En la práctica, cuando se realiza una reacción química, es necesario hacer los cálculos teóricos para determinar las pérdidas de producto que ocurren durante el proceso de reacción, ya sea que la sustancia se quede adherida a la superficie del material que se utiliza o se evapore. Por ello, es necesario determinar las cantidades reales para prever que el rendimiento no sea menor. Este procedimiento se lleva a cabo por medio de la evaluación de: El rendimiento teórico de una reacción. Es la cantidad máxima de producto obtenida durante el proceso de reacción y se consigue por medio de los cálculos estequiométricos a partir de las cantidades del reactivo y los coeficientes estequiométricos de la reacción. Complementado el cálculo, se efectúa la operación del rendimiento real, que es el que se obtiene al llevarse a cabo la reacción química. Para determinar la eficiencia del proceso, se establece el porcentaje de rendimiento del producto a través de:  1.4 Importancia de los contaminantes en el medio ambiente Cabe recordar que las reacciones químicas ocurren al interactuar elementos o compuestos para dar lugar a sustancias nuevas. Estas sustancias son utilizadas para la creación de productos de uso cotidiano, como los combustibles, pinturas, medicamentos, artículos de limpieza, plásticos, etc., pero al usarlas en exceso repercuten de forma negativa en el ambiente, provocando contaminación. La contaminación Se les llama contaminantes a aquellas sustancias que, en concentraciones muy altas, son liberadas al ambiente natural y alteran su equilibrio, con lo que dañan al planeta y a su biodiversidad. La contaminación provoca desastres medioambientales de gran magnitud, como el cambio climático, lo que genera temperaturas altas que deshacen los glaciares, con lo que aumenta el nivel del mar, o provoca la desaparición de especies animales y daños en la salud del ser humano. La contaminación tiene dos tipos de causas. Natural. Los contaminantes son originados por las erupciones volcánicas, tsunamis, terremotos o por incendios forestales. Artificial. La actividad humana es la principal fuente de contaminantes, debido a las sustancias químicas que se utilizan en el nivel industrial, los residuos urbanos o el consumo de combustibles fósiles. Tipos de contaminantes Los contaminantes tienen distintos orígenes: Químicos. Son generados por las industrias que producen plásticos, disolventes, derivados del petróleo, pesticidas y herbicidas. Biológicos. Son provocados por los desperdicios provenientes de los desagües de los hogares, o bien, por la industria al descomponerse los desechos orgánicos. Físicos. Son generados por el ser humano, como el calor, el ruido o la energía. La contaminación del agua El agua es un compuesto primordial para los procesos vitales de los seres vivos, así como para las actividades diarias, como el aseo personal y del hogar. Es necesaria para comer o hidratarse y para el desarrollo social y tecnológico. Sin embargo, existen sustancias que al estar disueltas en ella trastornan su composición natural y por ello se les denomina contaminantes del agua. Pueden dañar a los seres vivos que consumen esta y no puede ser utilizada por los seres humanos para ninguna actividad; además de esto, el agua contaminada destruye los ecosistemas. Los factores que contaminan este líquido vital son: Los agroquímicos que se usan en la agricultura, los cuales son absorbidos por la tierra y llegan a las aguas subterráneas. Los desechos provenientes de centros urbanos e industriales, pero que no fueron tratados y acaban en ríos y mares. El derramamiento accidental de petróleo en perforaciones petroleras. Los desechos sólidos, por ejemplo los plásticos y otros productos que llegan a ríos y mares. El aumento de la temperatura del planeta provoca que el agua se caliente y haya una disminución del oxígeno que contiene esta; de hecho, altera toda su composición. El consumo de agua contaminada transmite enfermedades como la diarrea, el cólera, la disentería y la fiebre tifoidea. La contaminación del aire En el aire de la atmósfera se encuentran gases que sirven para mantener la vida en la Tierra, por ejemplo, aquellos que impiden que pasen los rayos del Sol. Estos gases, además de protegernos de la radiación solar, regulan la temperatura, pero se ve alterada la composición de la atmósfera terrestre cuando las partículas que se encuentran suspendidas en el aire aumentan considerablemente y pueden afectar a los seres vivos, a la flora y la fauna. Una de las principales causas de la contaminación ambiental es la emisión de gases de efecto invernadero, que origina fenómenos meteorológicos extremos y el cambio climático. Entre las sustancias que se encuentran suspendidas está el dióxido de azufre, el ozono, el metano, los clorofluorocarbonos, el dióxido de carbono y el monóxido de carbono. La salud de los seres humanos se ve afectada a tal grado que nueve de cada 10 muertes reportadas se relacionan con la contaminación del aire. Las causas de la contaminación del aire se enuncian a continuación: La industria. En el nivel industrial se llevan a cabo una serie de procesos químicos que afectan el ambiente con los gases emanados. La quema de materiales. En ocasiones las personas recurren a la quema de basura con la finalidad de disminuir las grandes cantidades que acumulan y esto contamina el aire, al igual que el uso de leña para cocinar. Estas prácticas pueden ocasionar un problema mayor y daño al ambiente. El uso de combustibles fósiles. Los gases emitidos por los vehículos automotores que utilizan combustibles fósiles están entre las principales causas de la contaminación del aire, aunque ya se están tomando acciones para usar energías alternativas e, incluso, ya existen vehículos que utilizan la electricidad. Es importante contribuir a aminorar el daño que se está produciendo al ambiente utilizando las energías renovables y creando conciencia acerca del grave problema de tal contaminación y sus efectos. La contaminación de suelo El suelo es la capa superficial de la corteza terrestre que es el resultado de la descomposición de rocas (en que hay minerales) y seres vivos (materia orgánica) por acción, entre otros factores, del viento y agua; es uno de los componentes fundamentales de la vida terrestre, ya que la sostiene. Puede cambiar su composición por el uso de químicos o residuos. La actividad humana es la principal causa de su contaminación. Esta se origina por cosas tales como: Desechos urbanos. La basura generada en los domicilios y en los comercios que no es tratada adecuadamente y aquellos desechos que no se descomponen. Desechos industriales. Los productos químicos generados en la industria. Almacenamientos subterráneos. Las reservas de gas natural que se encuentran en el subsuelo pueden tener filtraciones y contaminar el suelo. Los pesticidas. Los productos químicos utilizados en la elaboración de pesticidas que son aplicados en la agricultura alteran la composición del suelo, ya que son absorbidos por este, lo que repercute en la calidad del cultivo, que al ser consumido por el ser humano o animales produce enfermedades.