Transformaciones Químicas de la Materia, unidad No. 5 del Programa de Ciencia, Salud y Medio Ambiente de Octavo Grado de la República de El Salvador

1. OCTAVO GRADOUNIDAD No. 5 TRANSFORMACIONES QUÍMICAS DE LA MATERIA Por: Vidal Cruz

2. Átomos y Moléculas Definición de átomo: Átomo, es la unidad más pequeña posible de un elemento químico.

3. En la filosofía de la antigua Grecia, la palabra “átomo” se empleaba para referirse a la parte de materia más pequeña que podía concebirse. Esa “partícula fundamental”, por emplear el término moderno para ese concepto, se consideraba indestructible. De hecho, átomo significa en griego “no divisible”. A lo largo de los siglos, el tamaño y la naturaleza del átomo sólo fueron objeto de especulaciones, por lo que su conocimiento avanzó muy lentamente.

4. Con la llegada de la ciencia experimental en los siglos XVI y XVII, los avances en la teoría atómica se hicieron más rápidos. Los químicos se dieron cuenta muy pronto de que todos los líquidos, gases y sólidos se pueden descomponer en sus constituyentes elementos. Por ejemplo, se descubrió que la sal se componía de dos elementos diferentes, el sodio y el cloro, ligados en una unión íntima conocida como compuesto químico. El aire, en cambio, resultó ser una mezcla de los gases nitrógeno y oxígeno.

5. El profesor y químico británico John Dalton estaba fascinado por el “rompecabezas” de los elementos. A principios del siglo XIX estudió la forma en que los diversos elementos se combinan entre sí para formar compuestos químicos. Aunque muchos otros científicos, empezando por los antiguos griegos, habían afirmado ya que las unidades más pequeñas de una sustancia eran los átomos, se considera a Dalton una de las figuras más significativas de la teoría atómica porque la convirtió en algo cuantitativo.

6. Todos los átomos de un determinado elemento tienen las mismas propiedades químicas. Por tanto, desde un punto de vista químico, el átomo es la entidad más pequeña que hay que considerar. Las propiedades químicas de los elementos son muy distintas entre sí; sus átomos se combinan de formas muy variadas para formar numerosos compuestos químicos diferentes.

7. Algunos elementos, como los gases nobles helio y neón, son inertes, es decir, no reaccionan con otros elementos salvo en condiciones especiales. Al contrario que el oxígeno, cuyas moléculas son diatómicas (formadas por dos átomos), el helio y otros gases inertes son elementos monoatómicos, con un único átomo por molécula.

8. Todo lo que nos rodea está formado por pequeñas partículas llamadas; moléculas las cuales están constituidas por otras mas pequeñas llamadas átomos. La ropa, el agua, el aire, las plantas y hasta los seres humanos, están constituidos por átomos de distinto tipo. Los átomos tienen un núcleo donde se concentra toda su masa y está formado por protones; partículas con carga positiva, y neutrones, partículas sin carga (carga neutral). Al rededor giran las partículas con carga negativa llamadas electrones.

9. Los átomos son eléctricamente neutros, es decir, el número de protones es igual al de electrones. Si un átomo se carga eléctricamente se denomina ión. Cuando el átomo gana electrones se carga negativamente, convirtiéndose en un ión negativo o anión. Si pierde electrones, se transforma en ión positivo o catión. Por ejemplo: El átomo más sencillo es el hidrógeno, tiene un protón el núcleo y un electrón que gira a su alrededor, si pierde al electrón se convierte en catión.

10. MOLECULAS Molécula, la partícula más pequeña de una sustancia, que mantiene las propiedades químicas específicas de esa sustancia. Si una molécula se divide en partes aún más pequeñas, éstas tendrán una naturaleza diferente de la sustancia original. Por ejemplo, una muestra de agua puede dividirse en dos partes, y cada una dividirse a su vez en muestras de agua más pequeñas. El proceso de división y subdivisión finaliza al llegar a la molécula simple de agua, que si se divide dará lugar a algo que ya no es agua: hidrógeno y oxígeno.

11. Cada molécula se presenta independientemente de las demás. Si se encuentran dos moléculas, se suele producir un rebote sin que ocurran cambios fundamentales. En caso de encuentros más violentos se producen alteraciones en la composición de las moléculas, y pueden tener lugar transformaciones químicas. Las moléculas de los compuestos están constituidas por átomos de los elementos que los forman. Se dice que una molécula es diatómica cuando está compuesta por dos átomos y poliatómica si tiene gran número de átomos. Existen moléculas compuestas de cientos, miles, incluso millones de átomos.

12. Gran parte de la química moderna está dedicada al estudio de la composición, estructura y tamaño de las moléculas. Para estudiar las moléculas y sus reacciones se emplean descargas de rayos láser de cortísima duración. Las moléculas simples son las de menor tamaño. Así, las moléculas de hidrógeno tienen un diámetro de unos 10-10 m, y una masa de unos 3 × 10-27 kg. Otras moléculas más complejas adoptan la forma de cadenas, anillos o hélices.

13. Peso atómico o masa atómica. La masa atómica es la masa de un átomo en reposo, la unidad SI en la que se suele expresar es la unidad de masa atómica unificada. La masa atómica puede ser considerada como la masa total de los protones y neutrones en un átomo único en estado de reposo. La masa atómica, también se ha denominado peso atómico, aunque esta denominación es incorrecta, ya que la masa es propiedad del cuerpo y el peso depende de la gravedad.

14. Las masas atómicas de los elementos químicos se suelen calcular con la media ponderada de las masas de los distintos isótopos de cada elemento teniendo en cuenta la abundancia relativa de cada uno de ellos, lo que explica la no correspondencia, en general, entre la masa atómica en umas, de un elemento, y el número de nucleones que alberga el núcleo de su isótopo más común. En cambio, la masa atómica de un isótopo sí coincide aproximadamente con la masa de sus nucleones. Esta diferencia es debida a que los elementos, en general, no están formados por un solo isótopo sino por una mezcla con unas ciertas abundancias para cada uno de ellos.

15. Mientras que cuando medimos la masa de un isótopo en concreto no tenemos en cuenta las abundancias. De todas formas ni siquiera la masa atómica de los isótopos equivale a la suma de las masas de los nucleones. Esto es debido al defecto de masa.

16. Ejemplo: Para calcular la masa atómica del litio, haremos lo siguiente: El litio consta de dos isótopos estables: el Li-6 (7,59%) y el Li-7 (92,41%). Multiplicando la masa de cada isótopo con su abundancia (en %), los cálculos serían: El valor resultante, como era de esperar, está entre los dos anteriores aunque más cerca del Li-7, más abundante.

17. Masa molecular. La masa molecular relativa es un número que indica cuántas veces mayor es la masa de una molécula de una sustancia con respecto a la unidad de masa atómica. Se determina sumando las masas atómicas relativas de los elementos cuyos átomos constituyen una molécula de dicha sustancia. La formula para calcular es: % elemento X= [(núm. átomos de X)·Ar(X)/Mr]·100%

18. La masa molecular se calcula sumando las masas atómicas de los elementos que componen la molécula. En el caso de la molécula de agua, H2O, su masa molecular sería: (masa atómica del H: 1,0079, masa atómica del O: 15,99994) (Se multiplica por 2, ya que ésa es la cantidad de veces que el elemento H está presente en la molécula.)

19. ej: hierro:4d La masa molar de una sustancia coincide numéricamente con la masa molecular, aunque son cosas distintas. A pesar de que se sigue diciendo popularmente peso molecular, el término correcto es masa molecular. Si se necesita la masa molecular de varios componentes, se multiplican por separado los átomos de cada componentes y se multiplican por la masa atómica. Luego se suman los dos. Vamos a determinar, por ejemplo, la masa molecular del componente C3H8:

20. Elemento = Átomos * Peso atómico C= 3 * 12 = 36 H= 8 * 1 = 8 Masa molecular= 44 g/mol

21. Biomolécula Las biomoléculas son las moléculas constituyentes de los seres vivos. Los cuatro bioelementos más abundantes en los seres vivos son el carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, representando alrededor del 99% de la masa de la mayoría de las células. Estos cuatro elementos son los principales componentes de las biomoléculas debido a que:

22. Permiten la formación de enlaces covalentes entre ellos, compartiendo electrones, debido a su pequeña diferencia de electronegatividad. Estos enlaces son muy estables, la fuerza de enlace es directamente proporcional a las masas de los átomos unidos. Permiten a los átomos de carbono la posibilidad de formar esqueletos tridimensionales –C-C-C- para formar compuestos con número variable de carbonos.

23. Permiten la formación de enlaces múltiples (dobles y triples) entre C y C, C y O, C y N, así como estructuras lineales ramificadas cíclicas, heterocíclicas, etc. Permiten la posibilidad de que con pocos elementos se den una enorme variedad de grupos funcionales (alcoholes, aldehídos, cetonas, ácidos, aminas, etc.) con propiedades químicas y físicas diferentes.

24. Hay sustancias orgánicas, a veces muy complejas, que están relacionadas directamente con el mantenimiento de la vida, ¿conoces estas sustancias?, ¿forman parte de tu vida?, ¿dónde las obtienes? Aunque los compuestos orgánicos se hallan también en materiales inertes, por ser muy importantes para la vida se les sigue llamando así. Lo común entre ellos es que contienen mayoritariamente átomos de carbono.

25. Los compuestos orgánicos pueden formar moléculas muy complejas, algunas veces por unión o repetición de moléculas más sencillas, denominadas polímeros o macromoléculas (poli: muchos, meros: unidad), un ejemplo es el almidón que consiste en una serie de unidades de glucosa. El almidón sintetizado por los animales se llama glucógeno. Glucógeno. Polisacárido que almacena energía en el hígado y en los músculos. Cuando lo utiliza el organismo se transforma en glucosa.

26. Estos compuestos que participan en las reacciones químicas de los seres vivos, o reacciones bioquímicas, se denominan biomoléculas y se clasifican en: carbohidratos o glúcidos, lípidos o grasas, aminoácidos, proteínas y ácidos nucleicos y vitaminas. En los procesos vitales, además de compuestos orgánicos, también participan sustancias minerales.

27. Carbohidratos y lípidos Carbohidratos. Son compuestos de cadenas largas que se encuentran en los seres vivos. Éstos, constituyen la principal fuente de energía de los seres vivos. Además, brindan soporte, como la celulosa en la pared celular de las plantas y la quitina en el caparazón de cangrejos. Los carbohidratos están formados por cierta cantidad de átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno. Así, de acuerdo con el tamaño de la molécula, los carbohidratos pueden clasificarse en:

28. • Monosacáridos, son los más simples, entre ellos la glucosa (C6H12O6) y la ribosa (C5H10O5). • Oligosacáridos, integrados por dos a diez monosacáridos, tal es el caso de la sacarosa de la caña de azúcar (C12H22O11), constituida por una unidad de glucosa y otra de fructosa, esta última es la que proporciona el sabor dulce. • Polisacáridos, que tienen más de diez monosacáridos, como la celulosa, el almidón y el glucógeno, son polímeros o macromoléculas.

29. Lípidos. Son biomoléculas constituidas de carbono, hidrógeno y en menor cantidad, oxígeno. Insolubles en agua, pero solubles en sustancias orgánicas, como el cloroformo y el éter. Pueden ser sólidos como las grasas y las ceras, o líquidos en el caso de los aceites. En los seres vivos forman parte de las membranas, dan energía como lo hacen las grasas, se les encuentra en hormonas y vitaminas. Las ceras originan cepas impermeables que protegen a los animales y plantas.

30. Determina la presencia de almidón en los vegetales. Materiales: 1 rodaja de papa, 1 rodaja de pepino y 1 rodaja de cualquier fruta, 1 gotero, 1 plato y 1 cucharada de tintura yodo • Coloca las rodajas sobre el plato y échales una gota de yodo. • Espera 3 minutos y luego observa la coloración de los alimentos. El almidón reacciona con el yodo, dando una fuerte tonalidad azul o café oscura, según el color del alimento; ésta es la manera más simple de reconocer su presencia. Contesta en tu cuaderno. ¿Qué alimento contiene almidón?..

31. Proteínas y ácidos nucleicos. Proteínas. Son macromoléculas muy complejas y variadas, las origina una combinación de 20 aminoácidos. Éstos son moléculas de carbono, hidrógeno, oxígeno, que siempre contienen nitrógeno. Los aminoácidos que constituyen las proteínas se enlazan mediante uniones llamadas peptídicas. Las proteínas representan casi el 50% del peso seco de las células y cumplen con funciones hormonales, de defensa, sostén y transporte.

32. REACCIÓN QUÍMICA. Una reacción química o cambio químico es todo proceso químico en el cual una o más sustancias (llamadas reactivos), por efecto de un factor energético, se transforman en otras sustancias llamadas productos. Esas sustancias pueden ser elementos o compuestos. Un ejemplo de reacción química es la formación de óxido de hierro producida al reaccionar el oxígeno del aire con el hierro.

33. A la representación simbólica de las reacciones se les llama ecuaciones químicas. Los productos obtenidos a partir de ciertos tipos de reactivos dependen de las condiciones bajo las que se da la reacción química. No obstante, tras un estudio cuidadoso se comprueba que, aunque los productos pueden variar según cambien las condiciones, determinadas cantidades permanecen constantes en cualquier reacción química. Estas cantidades constantes, las magnitudes conservadas, incluyen el número de cada tipo de átomo presente, la carga eléctrica y la masa total.

34. Los tipos de reacciones inorgánicas son: Ácido-base (Neutralización), Combustión, Solubilización, Oxidoreducción y Precipitación. Modelos de las reacciones químicas. Desde un punto de vista general se pueden postular dos grandes modelos para las Reacciones Químicas: Reacciones ácido-base (sin cambios en los estados de oxidación) y reacciones Redox (con cambios en los estados de oxidación). Sin embargo, podemos estudiarlas teniendo en cuenta que ellas pueden ser:

36. Factores que influyen en una reacción química La concentración y la velocidad de una reacción química Modos de expresión de la concentración de una solución El grado de dulzura de un refresco depende de la cantidadde azúcar que contenga. La concentración es la cantidad de unidades de masa de soluto por unidad de volumen de solución. La concentración se puede expresar medianteformas cualitativas y cuantitativas.

37. Las formas cualitativas especifican si es diluida,concentrada, saturada o sobresaturada, sin precisar lascantidades de soluto que contienen. El porcentaje es una forma de expresión cuantitativa que especifica el número de unidades de soluto disueltas en 100 unidades de solución. Una solución de azúcar al 20% (peso/volumen), se prepara agregando a 20 g de azúcar previamente depositados en un recipiente, agua suficiente para completar 100 ml.

38. Formas cualitativas de expresión de la concentración La concentración de las soluciones se puede expresar cualitativamente en las siguientes formas. Las soluciones diluidas contienen una pequeña cantidad de soluto disuelto en una gran cantidad de solvente. Pero, no se sabe cuánto exactamente. Las soluciones concentradas tienen una gran cantidad de soluto disuelto en una pequeña cantidad de disolvente.

39. Las soluciones saturadas contienen la máxima cantidad de soluto que se puede disolver en un volumen dado de solvente a temperatura normal. Si a un vaso con la mitad de agua a temperatura normal se le echa 1 cucharada de azúcar, se disuelve; dos, también; tres, cuatro... Sin embargo, llegará un momento en que el azúcar ya no se disuelve. La solución está saturada. El punto de saturación es función de la temperatura. A temperatura normal, 100 gramos de agua disuelven 36 gramos de cloruro de sodio; pero si el agua se calienta a 100 grados, entonces disuelve 39.8 gramos.

40. Las soluciones sobresaturadas contienen más soluto que una solución saturada. Esta condición se logra si se cambia la temperatura o si se evapora el solvente. El jarabe de las minutas se prepara en agua caliente. Las abejas de colmena sobresaturan la miel, cuya concentración de azúcar es 70%, a partir del néctar de las flores, cuya concentración de azúcares es mínima. Como no pueden calentarlo evaporan el agua del néctar recolectado. Una solución sobresaturada es un sistema inestable. Una pequeña cantidad de, soluto o un movimiento brusco puede hacerlo precipitar y formar cristales.

41. La concentración y el volumen de solvente La concentración de una solución depende de la cantidad de sóluto que contiene; pero, también, del volumen de solvente. 20 g de azúcar disueltos en 100 ml de solución ­generan una concentración de 20%; pero esos mismos 20 g disueltos en 200 ml de solución hacen una concentración de 10%. La expresión 10% indica que hay 10 unidades de soluto por cada 100 de solución. Eso es igual a 0.1 (10/100). El porcentaje se puede expresar en unidades de peso/volumen (g/ml, g/L), peso/peso (g/g, kg/kg) o volumen/volumen (ml/ml).

42. Temperatura de reacción: la elevada temperatura produce un importante aumento de la velocidad de reacción.La ecuación de Arrheniusmuetsra la influencia de ésta sobre al reacción.

43. Naturaleza, estado físico y grado de división: La propia naturaleza química, hace que unas mezclas reaccionen más rápidamente que otras. Por ejemplo: Na + rápido que el Au. El estado físico también influye en la velocidad. Por ejemplo: entre gases + velocidad de reacción que entre sustancias disueltas. El grado de división de los sólidos: influye también cuanto más superficie mayor es la probabilidad de los choques entre moléculas.

44. La concentración y la velocidad de las reacciones Con el ánimo de desatar la curiosidad sobre el pH, un profesor prometió a sus alumnos tomarse una taza de ácido clorhídrico. Luego -por supuesto no iba a hacerse daño­aclaró que si lo hiciera, lo diluiría con suficiente agua como para que se volviera inocuo y se tomaría el tiempo necesario. Él sabía que los ácidos están presentes en muchos alimentos y que es la concentración el factor que suele determinar su peligrosidad.

45. La explicación de la relación entre concentración de los reactantes y velocidad de la reacción se encuentra en la Teoría de las Colisiones y en la Ley de Acción de Masas. Los sistemas químicos son sumamente dinámicos; las partículas se mueven con más o menos libertad, propiciando el contacto entre los reactantes.

46. Teoría de las Colisiones: "Para que ocurra una reacción química, las partículas reaccionantes, deben chocar entre sí con un contenido de energía tal que rompa los enlaces ya existentes y/o produzca nuevos enlaces." Al aumentar la cantidad de partículas en un sistema reaccionante, aumenta la frecuencia de las colisiones y, en consecuencia, la velocidad de reacción. Por ejemplo, una brasa introducida en una atmósfera de oxígeno puro, arde intensamente.

47. Ley de la Acción de Masas: "A temperatura constante, la velocidad de una reacción es directamente proporcional a la concentración de los reactantes."

48. La temperatura y las reacciones químicas En las ollas de presión, los alimentos se cocinan más rápido; en parte, porque la temperatura del recipiente es más alta que en ollas abiertas. Dentro de un refrigerador los alimentos tardan más tiempo en descomponerse. Algunos organismos -inclusive mamut enteros- se han preservado perfectamente durante miles de años bajo el hielo de Siberia. Es que la velocidad de las reacciones químicas es función directa de la temperatura. A temperatura alta, las partículas se mueven intensamente, lo cual estimula la velocidad de las reacciones químicas, ya que:

49. 1. Aumenta la probabilidad de que las partículas choquen entre sí. Proporciona la energía suficiente para que se produzca la reacción. Al contenido mínimo de energía necesaria para que se produzca una reacción se le llama energía de activación. La velocidad de todas las reacciones químicas se duplica aproximadamente cada vez que la temperatura aumenta 10 grados Celsius.

50. Efecto de la luz sobre las reacciones Consejo doméstico: "La ropa de color no se debe secar al sol; pues, se decolora". En ciertas reacciones químicas, la luz u otra forma de energía radiante puede suministrar la energía de activación. A las reacciones cuyo desarrollo está relacionado con la luz se les llama reacciones fotoquímicas.

51. Reacciones fotoquímicas en los seres Vivos La energía radiante es un factor que afecta iniciándolos o inhibiéndolos- muchos procesos fisiológicos en plantas y animales. En la fotosíntesis, la luz inicia una serie de reacciones químicas que convierten la energía del Sol en la energía química que fluye por las cadenas alimenticias. La luz también induce el fototropismo y el fotoperíodo en las plantas.

52. El fototropismo es la tendencia de las plantas de crecer en dirección de las fuentes de luz o en su contra. Los fisiólogos han demostrado que esta reacción se debe a la destrucción de hormonas de alargamiento. Las hormonas quedan intactas en el lado menos iluminado e inducen el alargamiento de las células. El fotoperíodo es la respuesta de las plantas a la duración de la noche. Existen plantas de día corto, florecen en la época del año cuando los días son cortos y las noches largas; otras plantas son de día largo.

53. La cantidad de luz recibida por un animal también regula algunos procesos fisiológicos. Durante el invierno de los países fríos, los animales suelen entrar en una etapa de hibernación, el cual termina cuando llega la primavera. Los habitantes humanos de las regiones polares tienden a caer en estados depresivos durante la época de días cortos. Parece que la hormona melatonina, que se produce en la glándula pineal durante las horas de oscuridad, es la responsable de estos estados de ánimo. La melatonina afecta al ritmo circadiano, el ciclo de sueño y vigilia o las fluctuaciones de temperatura, frecuencia cardiaca y presión arterial.

54. Los catalizadores La velocidad de algunas reacciones es modificada por la presencia de ciertas sustancias, llamadas catalizadores, que aumentan o disminuyen la velocidad de las reacciones químicas, sin participar directamente como reactantes. Las reacciones químicas en las células están mediadas por unos catalizadores llamados enzimas.

55. Las enzimas son sustancias de naturaleza proteica que aceleran la velocidad de los procesos bioquímicos. La pepsina del jugo gástrico y la ptialina de la saliva participan en la digestión. Aunque el almidón se convierte espontáneamente en azúcar, ocurre muy lentamente; pero en presencia de ptialina, la reacción ocurre con gran rapidez.