Transformaciones Químicas en el nuevo DC 3º año ESB

Introducción al Diseño Curricular de Fisicoquímica de 3º año de la E.S.B.ETR Región 2

Físico Química en el nuevo Diseño Curricular de 3º Año de la escuela secundaria

Los contenidos seleccionados se han organizado jerárquicamente de la siguiente manera:a. ejes: su denominación da un sentido y una unidad a los contenidos (por ejemplo, las reacciones químicas y las nucleares se incluyen dentro del eje Transformaciones de la materia). Los ejes temáticos son nociones generales científicas que posibilitan la comprensión de los fenómenos físicos y químicos, según las interpretaciones teóricas actuales;b. núcleos temáticos: organizados por afinidades en relación con los ejes temáticos propuestos (por ejemplo, los contenidos referentes a las reacciones químicas, constituyen un núcleo);c. conceptos organizadores: actúan como orientadores e integradores de los conocimientos procedentes de las dos disciplinas que componen la Fisicoquímica. Para este 3° año estos conceptos son proceso, cambio y conservaciónEn el siguiente esquema puede verse las distintas jerarquías y su organización.

Eje: Las transformaciones de la materiaNúcleo: Las reacciones químicas

Expectativas de logro• construir la noción de cambio químico como destrucción de enlaces y formación de otros;• utilizar el modelo discontinuo de materia para interpretar el cambio químico;• utilizar modelos icónicos para representar los estados inicial y final de un sistema en el que ocurra un cambio químico, atendiendo a la destrucción-formación de enlaces y a la conservación del número y tipo de átomos de cada elemento;• leer y escribir las ecuaciones químicas correctamente balanceadas para representar las diversas reacciones trabajadas;• identificar las variables que pueden modificar la velocidad de una reacción química;• identificar ácidos y bases de uso cotidiano utilizando indicadores;

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• calcular a partir de los calores de combustión por unidad de masa, los valores de los intercambios de energía en reacciones de combustión.

En términos del nuevo diseño curricular para 3º año de la Educación Secundaria para la materia Físico Química, el cambio químico se entiende, en una primera instancia, como destrucción de las sistemas atómicos iniciales y la formación de otros nuevos, con conservación de los átomos tanto en cantidad como en calidadEn todo cambio químico se produce una ruptura de enlaces, pero no de átomos; estos enlaces se reorganizan formando otros nuevos, que dan lugar a substancias distintas de las iniciales.

Ecuaciones QuímicasUna reacción química se representa mediante una ecuación química: Consta de 2 miembros separados por una flecha:

REACTIVOS PRODUCTOS Según el principio de Lavoisier (en una reacción química la masa se conserva), por lo que ha de haber el mismo número de átomos a ambos lados de la ecuación química (ecuación ajustada o equilibrada)

Para Físico Química de 3º Año:

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Una reacción química es el proceso por el cual mediante una reorganización de enlaces y átomos, una o más sustancias iniciales se transforman en otras distintas

Retomando el modelo corpuscular de la materia, se espera una modelización del cambioquímico a través de la cual sea posible conceptualizarlo según dos procesos simultáneos y complementarios: la conservación de los átomos tanto en cantidad como en calidad y la formación de otros nuevos a partir de la destrucción de los sistemas atómicos iniciales.el balanceo de ecuaciones químicas por tanteo para indicar la conservación del número de átomos de cada elemento durante el cambio, profundizando la noción de conservación a través de la modelización del cambio químico. No se esperan cálculos respecto de las reacciones ni la introducción de métodos de balanceo de ecuaciones más allá del quepueda efectuarse por tanteo.Para tratar el cambio químico usando modelos, se recurre a representaciones icónicas de las partículas de las sustancias involucradas durante la reacción química. A tal efecto, se recurrirá a reacciones químicas que involucren sustancias sencillas en cuanto a su geometría molecular, de manera tal que su representación icónica sea simple. Por ejemplo, moléculas diatómicas homonucleares (como el O2) y/o moléculas heteronucleares (como agua o dióxido de carbono o hidrocarburos). Por medio de esta representación se trabajará en el nivel de las uniones químicas, en el reconocimiento de los enlaces que se destruyen en la/s sustancia/s del sistema inicial y en la identificación de los que se forman enla/s sustancia/s del sistema final. Trabajando en este nivel de representación corpuscular se pretende, por un lado, profundizar en la conceptualización del cambio químico –y su diferencia con el cambio físico– y, por otro, avanzar en la comprensión de la idea de proceso


- Reacciones Químicas y Energía

En el transcurso de una reacción química, se desprende o se absorbe energía, generalmente en forma de calor luz o electricidad. -Reacción que desprende energía: Exotérmica (energía negativa)-Reacción que absorbe energía: Endotérmica (Energía Positiva)-Calor de Reacción: Cantidad de energía calorífica que se absorbe o se desprende en una reacción. Ejemplo: de Reacción Exotérmica:

Ejemplo de Reacción Endotérmica: Descomposición del Carbonato de Calcio

Las ecuaciones expresadas como en los ejemplo se llaman Ecuaciones Termoquímicas.

ENERGIAS DE ENLACE

ENLACE ENERGIA ( Kj / mol)H – H 436C – H 415N – H 390O – H 464C – C 347C – N 285C – O 352N – N 1590 = 0 494

Cl – Cl 242H – Cl 431

Romper y Formar Enlaces

Reacción Exotérmica:

El Hidrogeno y el Cloro reaccionan para dar Cloruro de Hidrogeno en forma de Gas; en la reacción se desprende Energía:

En las moléculas de Hidrogeno y Cloro, los átomos están unidos por enlaces covalentes que han de romperse para que la reacción pueda tener lugar, para lo que hace falta una aportación inicial de energía: 1 mol de Hidrogeno ---- se rompe el enlace H-H 436 KJ 1 mol de Cloro ---------- se rompe el enlace Cl – Cl : 242 KJ

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La energía total proporcionada: 436 + 242 = 678 KJ La energía que se desprende en la formación de los nuevos enlaces será: 2 mol de HCl ---- forman dos enlaces de H - Cl 2 mol . 431 KJ/mol = 862 KJEl balance total de energía de la reacciona será la suma de las energías: 678 -862 = -184 Kj

Reacción endotérmicaLa reacción entre el carbono y el vapor de agua da monóxido de carbono y hidrogeno:

El balance de energía es el siguiente:- Para romper un mol de carbono: 717 KJ- Para romper un mol de agua (rompe dos veces H – O): 464*2 = 928 KJ- Energía total : 1645 Kj El balance en la formación de los nuevos enlaces:- 1 mol de monóxido de carbono: 1077 Kj- 1 mol de Hidrogeno: 436 Kj- Energía total que se desprende: 1513 Kj El balance total de la reacción será: 1645Kj -1513 Kj = 132 Kj

Teoría de colisiones

Según esta teoría, para que ocurra una reacción química es necesario que existan choques entre las moléculas de reactantes que den origen a productos. Estas colisiones deben cumplir las siguientes condiciones:

- Las moléculas de reactantes deben poseer la energía suficiente para que pueda ocurrir el rompimiento de enlaces, un reordenamiento de los átomos y luego la formación de los productos. Si no se dispone de la energía suficiente, las moléculas rebotan sin formar los productos.

- Los choques entre las moléculas deben efectuarse con la debida orientación en los reactantes. Si el choque entre las moléculas cumple con estas condiciones, se dice que las colisiones son efectivas y ocurre la reacción entre los reactantes; entonces se forman productos.

Cabe destacar que no todas las colisiones entre reactantes son efectivas, por lo tanto no todas originan productos. Sin embargo, mientras más colisiones existan entre reactantes, mayor es la probabilidad de que sean efectivas.

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Figura 3. Ejemplo de colisiones efectivas y no efectivas

Para Físico Química de 3º Año:La conceptualización de las reacciones químicas en términos de ruptura y formación de enlaces, posibilita una primera aproximación a una mirada teórica de los intercambios de energía involucrados durante un cambio químico. Durante este año, se trabajará con una interpretación de los intercambios de energía asociados a las reacciones químicas –procesos endotérmicos y exotérmicos– a partir de su relación con la energía almacenada en una unión química. Esta consideración no implica la cuantificación de la energía intercambiada durante una reacción química.

Velocidades de las reacciones Químicas

La velocidad de reacción es la cantidad de sustancia formada o transformada en la unidad de tiempo.

Factores que afectan la velocidad de reacción.

La velocidad de reacción se ve afectada por diversos factores: - Influencia de la concentración Variando la concentración de los reactivos podemos conseguir que una reacción sea más lenta o más rápida. La velocidad de reacción se incrementa cuando aumentamos la concentración de los reactivos. - Influencia de la temperatura La velocidad de reacción se incrementa al aumentar la temperatura.

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- Influencia de la superficie de contacto Las reacciones son mas rápidas cuando la superficie de los reactivos esta mas dividida. -Influencia de los catalizadoresCatalizadores son distintas sustancias distintas de los reactivos y de los productos, los cuales se recuperan íntegramente después de la reacción. La modificación de la velocidad de la reacción química recibe el nombre de catálisis. Estos productos aumentan (catalizador positivo) o disminuyen (catalizador negativo) la velocidad de la reacción.


Respecto de la noción de velocidad de reacción, se pretende una primera aproximación a los contenidos de cinética química focalizada, por un lado, en que algunos procesos químicos ocurren muy lentamente mientras que otros lo hacen casi instantáneamente. Por otro lado, en la identificación de la temperatura, concentración y superficie de contacto, como variables que afectan la velocidad de una reacción. Sin embargo, no se pretende llegar a una formulación teórica de estos conceptos, sino poner en evidencia estos factores a través de la realización de problemas o investigaciones escolares que permitan identificarlos a nivel experimental

Tipos de reacciones

Reacciones de Combinación o síntesis

Una reacción de combinación es aquella en que dos sustancias reaccionan para dar una única sustancia nueva.

Reacción de descomposición

La descomposición es una reacción química en que una sustancia se separa en dos o más sustancias más simples, generalmente por la acción del calor, la luz o la electricidad.

Reacción de sustitución o desplazamiento

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En una reacción de sustitución, un elemento de un compuesto se desplaza en otro, o dos elementos de distintos compuestos se desplazan mutuamente

Reacción ácido – base

Un ácido es aquella sustancia que, en disolución acuosa, se disocia y da iones de

hidrogeno, Una base es toda sustancia que, en disolución acuosa, se disocia y da iones de hidróxido,

-La escala de pHLa escala de pH nos permite conocer el grado de acidez o basicidad de una sustancia determinada. Consiste en una escala numérica con valores entre 1 y 14 Sustancia neutra: pH =7 Sustancia ácida: pH < 7 Sustancia básica: pH > 7 - Reacción de neutralización Una reacción de neutralización es aquella en que un ácido reacciona con una base para formar sal y agua.

Reacciones de oxidación y reducción

Una reacción de oxidación es cualquier proceso en que un elemento o compuesto gana oxigeno Una reacción de reducción es cualquier proceso en que un elemento o compuesto pierde oxigeno Una reacción de combustión es una reacción de oxidación rápida en que se desprende calor y generalmente luz.


Algunos ejemplos para el aula

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Para interpretar la noción de cambio químico pueden utilizarse los ejemplos de reacciones químicas propuestas durante el 2º año: reacciones redox, de corrosión, reacciones vinculadas al fenómeno de lluvia ácida, reacciones de combustión, que son retomadas durante este año para trabajarlas en este nivel de conceptualización.El comportamiento ácido-base de las sustancias se plantea sólo a nivel experimental, desde su identificación por medio de indicadores naturales.


Precipitación de cloruro de plata

1- Llena de agua un tubo de ensayo hasta la mitad.2- Añade una cantidad pequeña de nitrato de plata.3-Agita el tubo hasta que se disuelva4-Añade con un cuentagotas una cantidad pequeña de ácido clorhídrico Explicación: El sólido blanco que se ha depositado en el fondo del recipiente es cloruro de plata. El nitrato de plata y el ácido clorhídrico han reaccionado formando el cloruro de plata (con propiedades diferentes a las de las substancias iniciales)

Ag(NO3) + NaCl ---> AgCl + Na( NO3)

Una variante:

Disuelve en un tubo de ensayo un poco de cloruro de sodio en 5 ó 6 ml de agua destilada y añadir unas gotas de una disolución de nitrato de plata al 2%. Anota lo que ocurre y escribe la reacción química que tiene lugar.La reacción que acabas de desarrollar se utiliza para determinar la presencia de iones Ag+ o Cl-, ya que es muy sensible a ellos. Puedes comprobar la existencia de iones Cl- en el agua de la canilla añadiéndole, como antes, unas gotas de la disolución de nitrato de plata al 2%.

Trabajo experimental: ACIDOS Y BASES. pH

Lic. Liliana Perini

En 1923, Johannes Brönsted, en forma paralela con Thomas Lowry, proponen una revolucionaria tería sobre los ácidos y las bases.En esta teoría se propone que una sustancia capaz de aceptar un H+

(protón) es una base , y aquella capaz de cederlo es un ácido.

Ej: HCl (g) + H2 O(l) Cl- + H3O+

Ej: NH3 (g) + H2 O(l) NH4 + OH-

El agua, como vemos, puede comportarse como una base o como un ácido. En presencia de un ácido puede aceptar un H+ (protón) y en presencia de una base ceder un H+ (protón).Las sustancias que se comportan como bases o como ácidos se llaman anfóteras.En el agua pura ocurre esta reacción:

H2O + H2O H3O+ + OH-

Esta reacción se denomina autoionización del agua, y es la responsable de la presencia de iones H3O+ (oxonios o hidronios) y de OH-.

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El producto d la concentración de hidronios y oxhidrilos, se mantiene constante, y el valor de este producto depende de la temperatura.

Kw = H3O+ . OH- a 25°C Kw = 1. 10-4

Cuando al agua pura se le agrega un ácido, aumenta la concentración de hidronios y disminuye la concentración de oxhidrilos, y se dice que la solución es ácida.Por el contrario cuando al agua pura se le agrega una base, aumenta la concentrcón de oxhidrilos y disminuye la de hidronios y se dice que la solución es alcalina o básica.En aquellas en las que ambas concentraciones son iguales, se dice que la solución es neutra.

Sörensen en 1909, propuso utilizar una escala que tuviera en cuenta el n° del exponente de la H3O+, que llamó escala de pH (poder o potencial del Hidrógeno).

Se designó como pH = - log H3O+En el agua pura, la H3O+ = OH- por lo tanto la concentración de c/u de ellos es 1. 10-7, debido a que su producto es 1. 10-14 (recordar propiedades del producto de potencias de igual base).

De esta forma se estableció que las soluciones neutras tienen pH=7, y aquellas que son ácidas tendrán ph <7 y las alcalinas ph>7.

Ácido Básico 0 7 14 Neutra

Algunos ejemplos de pH de algunas sustancias :

Jugo de limón = 2,4Vino = 3,5Lluvia ácida = 5,6Leche = 6Agua Jabonosa = 9,8

INDICADORES:

Son compuestos orgánicos de estructura compleja que cambian de color en soluciones a medida que cambia el pH.Los indicadores son ácidos o bases débiles.Debido a su intensa coloración sólo se necesitan unas pocas gotas de una solución diluída de un indicador para cualquier determinación.Si el símbolo HIn designa genéricamente a un indicador, al disociarse:

HIn H+ + In –

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Las especies In - y Hin, tienen colores diferentes. Según sea la especie predominante en la solución, será el color que ésta presente.En una solución ácida, In será la más abundante que In – y pór lo tanto la solución tendrá el color de la primera especie.Cada indicador actúa en un rango de pH determinado.

INDICADOR COLOR ACIDO RANGO DE pH COLOR BASICOAzul de timol

Rojo1,2-2,8 Amarillo

Anaranjado de metilo*

Rojo 3,1-4,5 Amarillo

Violeta de metilo Amarillo 0,5-1,5 AzulVerde de bromocresol

Amarillo 3,8-5,5 Azul

Rojo de metilo Rojo 4,2-6,3 AmarilloPapel de tornasol Rojo 5-8 AzulAzul de bromotimol Amarillo 6-7,6 AzulAzul de timol Amarillo 8-9,6 AzulFenolftaleína Incoloro 8,3-10 RojoAmarillo de alizarina Amarillo 10-12,1 Alhucema (lavanda)

* llamado también Heliantina

Si se emplean suficientes indicadores, es posible determinar los valores de pH con exactitud hasta la 1° cifra decimal.EJ: si el azul de timol es amarillo en una solución, eso sognifica que su pH es mayor a 2,8.Si la misma solución se trata con anarnjado de metilo y el color es rojo, u pH debe ser menor a 3,1.Por lo tanto el pH de la solución estará comprendido entre 2,8 y 3,1.

Uno de los indicadores más antiguos es el tornasol. Es una tintura obtenida a partir de un líquen que cambia de color en presencia de ácidos o bases. Se utilizan tiras empapadas de tornasol rojo o azul.Los ácidos colorean de rojo el papel de tornasol azul, y las bases colorean de azul el papel rojo.Existen indicadores sintéticos y naturales.En el laboratorio suelen utilizarse, para una determinación rápida, aunque no tan precisa, papel indicador.Consisten en tiras de papel embebidas en diferentes indicadores cuyo color cambia con el pH.Al colocar con una varilla la solución problema sobre el papel las distintas bandas cambian de color, la tira se compara con las que se hallan reproducidas en la caja, y que se asocian a un pH determinado. Existen papeles de 4 colores y de 7 colores, siendo estos últimos más precisos.Otra forma de medir el pH es utilizar pHmetros,Son dispositivos que tienen un elemento sensible al pH, capaz de convertir esta sensibilidad a la H3O+ en una señal eléctrica.

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Colocando este elemento en una solución, se lee el valor del pH en un visor.

En el Laboratorio:

TP: “Indicadores naturales”

Objetivo: Obtener extractos naturales y comprobar si pueden ser utilizados como indicadores (método cualitativo).

Materiales:

Sn de HCl 0,1 N en frasco gotero Sn NaOH 0,1 N en frasco gotero Extractos naturales de flores, extraídos con mortero y alcohol etílico

Te, jugo de remolacha, jugo de repollo colorado Tubos de ensayoProcedimiento: Colocar en dos tubos de ensayo 5 ml de cada extracto natural y agregar 3 ó 4 gotas de las soluciones de ácido clorhídrico y de hidróxido de sodio. Observar los cambios de color que se registren.

COLORANTE VEGETAL

COLOR INICIAL

ACIDO BASE OBSERVACIONES

En observaciones indicar: si sirve como indicador si es reversible si se produce precipitación.

En una segunda parte, se puede probar su eficacia como indicador de pH con diferentes sustancias de la vida cotidiana.

Actividades de extensión:

Investigar:

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El pH de diferentes fluidos del cuerpo humano y su importancia en las reacciones químicas corporales.

El pH en el suelo El pH y la tolerancia de los cultivos El pH y los cosméticos Y.....................

LA BOTELLA AZUL

QUÍMICA MÁGICA

Colores oscilantes

¿Qué es lo que queremos hacer?Provocar reacciones químicas de “ida y vuelta” de forma que obtengamos alternativamente sustancias de distinto color... simplemente moviendo un recipiente.

¿Qué nos hará falta?Instrumental: Materiales:

Vasos de precipitados

Matraz o frasco Espátula Agitador

Glucosa Hidróxido sódico Agua destilada Azul de metileno

¿Cómo lo haremos?Se prepara, en primer lugar, una disolución acuosa de glucosa y de hidróxido sódico. Posteriormente se le añade una pequeña disolución de azul de metileno. Se vierte la mezcla preparada en el matraz o frasco, de modo que éste sólo quede lleno hasta la mitad, aproximadamente. Ahora, bastará con agitar el frasco y ver qué sucede.

El resultado obtenido es...La mezcla preparada es incolora, pero al agitarla se vuelve azul... y nuevamente incolora cuando se deja reposar

Explicando... que es gerundioLo que sucede es una reacción de oxidación de la glucosa por el oxígeno del aire que hay en el frasco, de modo que la nueva sustancia formada –y debido a la acción catalizadora del azul de metileno- nos ofrece el nuevo color. Al agitar la mezcla, favorecemos el contacto entre los reactivos, produciéndose la citada oxidación. Mientras quede oxígeno en el frasco podremos provocar esa reacción. Las oscilaciones de color se pueden suceder cuantas veces queramos con tal de agitar, reposar, volver a agitar, etc.

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Algún comentario...Vistosa reacción que no deja de sorprendernos cuantas veces la hagamos. Una reacción similar a ésta es la que se puede producir sustituyendo la glucosa por dextrosa y añadiendo, además de azul de metileno, índigo carmín. Al agitar, aparece una coloración verde y al dejar reposar el color se torna naranja y finalmente amarillo.

Unos datos más sobre esta práctica

1. ¿Exige tomar precauciones y medidas de seguridad especiales? NO

2. ¿Requiere utilizar instrumental o productos típicos de laboratorio? SI

3. ¿Es sencilla y puede hacerse sin complicaciones en nuestro domicilio como "práctica casera"?

NO

Tomada de http://www.iestiemposmodernos.com/diverciencia/la_qm/fichas_qm/qmbotellazul.htm

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