Capítulo 1 Química: el estudio de los cambios

Transcripción

1 Capítulo 1 Química: el estudio de los cambios Este capítulo de introducción le explica al estudiante por qué se debe tener interés en el estudio de la química. Al terminar este capítulo, el estudiante podrá: 1. Proporcionar ejemplos de cómo la química se usa en la vida cotidiana. 2. Exponer qué es el método científico y cómo se emplea.. Clasificar la materia en términos de mezclas homogéneas y heterogéneas. 4. Distinguir entre elementos y compuestos. 5. Comparar entre propiedades físicas y químicas de la materia. 6. Recordar de memoria los prefijos usados por lo común para las unidades del SI. 7. Resolver problemas que involucran densidad, volumen y masa. 8. Convertir la temperatura entre las escalas Kelvin, Celsius y Fahrenheit. 9. Aplicar la notación científica y el número correcto de cifras significativas en la solución de problemas. 10. Discutir la diferencia entre exactitud y precisión. 11. Utilizar el método del factor unitario para la resolución de problemas. 12. Recordar de memoria la conversión común de factores del sistema métrico al sistema inglés. Los ejemplos de tales conversiones de factores incluyen gramos a libras, centímetros a pulgadas y litros a galones. 1.1 Química: una ciencia para el siglo XXI A menudo los estudiantes se preguntan por qué deben estudiar la química. También parecen pensar que esta ciencia realmente no guarda relación con su carrera elegida. Una manera de mostrarles la importancia de la química es pedirles que encuentren un artículo en una revista de su área de estudios, o en la prensa, que guarde relación con la química. Con frecuencia los estudiantes se sorprenden de constatar cómo esta ciencia afecta sus carreras, y la mayoría desea ver en qué se aplica. El autor de algún artículo señala todo en lo que está entremetida la química: la medicina, las fuentes de energía, la informática molecular. La química es la ciencia central. 1.2 El estudio de la química Es importante hacer énfasis en que los químicos de hecho todos los científicos realizan observaciones. Asimismo, los estudiantes

2 llevan a cabo observaciones a partir de sus propias experiencias (mundo macroscópico). Si su profesor de química puede crear conocimiento con base en estas observaciones, entonces la enseñanza adquiere mayor relevancia y el estudiante aprende con mayor facilidad. Sin embargo, el mundo microscópico es más difícil para el o la estudiante puesto que no se tiene experiencia. El profesor debe ayudar al estudiante a hacer observaciones en el mundo microscópico para que entienda su experiencia en el mundo macroscópico. 1. El método científico Muchos estudiantes abordan el método científico desde su temprano aprendizaje, por lo que se relacionan con los siguientes conceptos: a) definir el problema; b) hacer observaciones cualitativas y cuantitativas; c) registrar los datos; d) interpretar los datos en una hipótesis; e) probar la hipótesis con más observaciones hasta desarrollar una teoría, y f) examinar la teoría con el tiempo hasta que una ley se acepte y esté normalmente familiarizada con la mayoría de los estudiantes. 1.4 Clasificación de la materia Una mezcla es una combinación de dos o más sustancias en la cual éstas conservan sus propiedades características. Diferentes mezclas pueden tener composiciones diferentes simplemente como dos soluciones de azúcar en agua pueden tener composición diferente; sin embargo, si una mezcla tiene la composición constante por todas partes, entonces se clasifica como homogénea. Si tiene una composición variable que depende en dónde se prueba, entonces es una mezcla heterogénea. Las mezclas, homogénea y heterogénea, pueden separarse en sus sustancias originales. Los compuestos, sin embargo, sólo pueden separarse en sus elementos originales mediante procesos químicos. 1.5 Los tres estados de la materia Los estudiantes están familiarizados con los tres estados de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Una demostración reveladora es preguntarles qué estado de la materia representa el juguete slime. 1.6 Propiedades físicas y químicas de la materia Los cambios físicos no modifican la composición de la materia, mientras que los cambios químicos sí lo hacen. El agua líquida y el vapor parecen ser considerablemente diferentes; no obstante,

3 simplemente son intercambiables mediante el cambio de temperatura. Al quemar una muestra de gasolina, a primera vista, podría considerarse que es un cambio físico porque el líquido está volviéndose un gas. No es posible, sin embargo, volver a cambiar esos vapores a gasolina. El profesor debe ayudar a sus alumnos a distinguir entre propiedades extensivas e intensivas indicándoles que las intensivas son independientes de la cantidad de material que se tiene (densidad, temperatura, etc.), mientras las extensivas dependen sobre cuánto se tiene (masa, volumen, etcétera). 1.7 Mediciones No es lo mismo masa y peso. Nuestros estudiantes entienden que los astronautas están ingrávidos al trabajar en una estación espacial, pero no tienen menor masa. A menudo la masa y el peso se intercambian; sin embargo, son conceptos diferentes y se deben usar en forma apropiada. Nosotros definimos un gramo como kilogramos. Muchos estudiantes tienen a veces dificultad para comprender los números menores que uno. Es más fácil para muchos entender que 1000 gramos equivalen a un kilogramo en lugar de que un gramo es igual kilogramos. Por ejemplo, la conversión de 52 gramos a kilogramos puede mostrarse de dos maneras: 1kg (52 gramos) = 0.52 kg 1000 gramos O - (52 gramos) 1 10 kg = 0.52 kg 1g Obviamente ambos métodos son correctos, pero si uno usa el concepto que toma un gran número (1 000 para ser exacto) de gramos para igualar un kilogramo, el primer método parece más fácil de entender para los estudiantes. Muchos de ellos han memorizado que un kilo significa 1 10 ; por consiguiente, usarán la conversión 1 10 kg, lo cual es totalmente incorrecto. Si a los estudiantes 1g se les pide pensar sobre su conversión, tal error ocurrirá probablemente. Existen tres escalas de temperatura, las descritas en el texto son Fahrenheit, Celsius y Kelvin. Hay todavía otra escala conocida como la escala de Rankin que los estudiantes de ingeniería

4 encontrarán después en sus estudios académicos. Debe notarse que la escala de Kelvin omite el signo de grado. Las ecuaciones 1.2 y 1. de la sección 1.7 muestran la conversión de Fahrenheit a Celsius y Celsius a Fahrenheit, respectivamente. Estas ecuaciones pueden ser explicadas usando la lógica siguiente: 450 qué temperatura es en la escala Celsius? Se entiende que 100 unidades en la escala Celsius es igual a 180 unidades en la escala Fahrenheit. Esto se conoce del hecho que la congelación del agua es a 0 C y hierve a 100 C (100 unidades C) mientras se congela y hierve a 2 F y 212 F (180 unidades F), respectivamente. Por consiguiente, 450 F son o 418 unidades F sobre la 100 unidades C (418 unidades F) = 22 unidades C sobre la 180 unidades F 22 unidades C sobre la congelación son 22 C. Si uno examina la ecuación 1.2, se ve que los dos pasos sobre el proceso lógico descrito da el mismo resultado C qué temperatura es en la escala Fahrenheit? 85.0 C son 85.0 unidades C sobre la congelación 180 unidades F (85.0 unidades C) = 15 unidades F sobre la 100 unidades C Esto corresponde a = 185 F Las temperaturas bajo la congelación se manejan de manera similar. Por ejemplo, 10 F qué temperatura es en la escala Celsius?. 10 F son 2-10 o 22 unidades de F bajo la 100 unidades C (22 unidades F) = 12 unidades C bajo la 180 unidades F 12 unidades de C bajo la congelación = -12 C. -40 C qué temperatura es en la escala Fahrenheit? -40 C son 40 unidades de C bajo la congelación

5 180 unidades F (40 unidades C) = 72 unidades F bajo la 100 unidades C Desde la congelación del agua a +2 F, 72 unidades de F bajo la congelación serían (72-2) o 40 unidades de F bajo cero o 40 F. Ésta es la única temperatura donde las temperaturas Fahrenheit y Celsius son iguales. La escala Kelvin tiene el mismo tamaño de grado que la escala Celsius. La escala Kelvin presenta al cero absoluto con 0 K y son K el punto de congelación del agua; así la conversión es sumar a la temperatura Celsius para conseguir la temperatura Kelvin. La escala Rankin antes mencionada no se estudia en este texto. Tiene el mismo tamaño de grado que la escala Fahrenheit con 0 R, que es cero absoluto. El grado cero Rankin corresponde a 460 F; así la congelación del agua es a 492 R y hierve a 672 R. La escala de Rankin se usa en algunos cursos de ingeniería; sin embargo, quizás no sea conveniente confundir a los estudiantes introduciendo esta cuarta escala. Cabe advertir que muchas calculadoras poseen teclas preprogramadas para la conversión de temperatura, lo que hace que estos problemas resulten obsoletos. 1.8 El manejo de los números Los estudiantes advierten a menudo que la notación científica y las cifras significativas no son importantes en la práctica del mundo real. Es interesante señalar que la Sociedad Estadunidense de Prueba y Materiales (ASTM, por sus siglas en inglés) tiene un método estándar, E-80 Extractos de las Prácticas Estándar para el uso del Sistema Internacional de Unidades (SI) (El Sistema Métrico Modernizado) que trata en específico estos temas. Debe entenderse que uno necesita tener todos los números a la misma potencia de diez si usa la notación científica en orden para contar correctamente el número de cifras significativas a la derecha del decimal. Por ejemplo, se expresaría correctamente como = Note que la respuesta tiene tres cifras significativas a la derecha del decimal. Uno consigue el mismo resultado si los números se expresan como

6 = o o como = El autor no agrega problemas que incluyan una combinación de adición/sustracción y multiplicación/división. Las reglas se aplican como se muestra en el ejemplo siguiente: ( ) (24) (.9506) = (24) (.9506) = El método del factor unitario para la resolución de problemas El autor usa los términos de método de factor unitario o análisis dimensional. Un tercer término para describir el mismo sistema para la resolución de problemas es el análisis unitario. En el ejemplo de convertir 2.46 dólares a centavos, el autor usa, 100 centavos (2.46 dólares) 1dólar = 246 centavos El autor usó la lógica de encontrar un factor de conversión que tiene el dólar en el denominador. Algunos estudiantes encuentran más lógico empezar primero con el factor de conversión (el factor que tiene los centavos en el numerador) y entonces multiplicar por los términos, para librarse del denominador 100 centavos (2.46 dólares) = 246 centavos 1dólar Ambos métodos son muy similares en que puede ser más lógico para algunos estudiantes empezar primero con el numerador correcto. En el ejemplo 1.7, debe hacerse énfasis en que el factor 1m 100 cm es 1m 1x 10 6 cm donde se han cubicado el numerador y denominador. El fracaso para cubicar ambos términos es un error muy común de los estudiantes que empiezan a estudiar la química.