Actividad Experimental. PASA LA LUZ! Conductividad eléctrica de los metales.

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1 Actividad Experimental PASA LA LUZ! Conductividad eléctrica de los metales. Asignatura que apoya Química Autora: Francis Navarro León INTRODUCCIÓN EL ENLACE ENTRE LOS METALES, UN MAR DE ELECTRONES La teoría de orbitales moleculares puede emplearse para explicar las propiedades de los sólidos (iónicos, metálicos y moleculares). Un sólido se puede considerar formado por una serie de átomos unidos entre sí mediante enlaces de tipo covalente. Esta idea tiene la ventaja, desde un punto de vista químico, de tratar al sólido como una especie no muy diferente a las pequeñas moléculas covalentes. La aproximación es aceptable para describir el enlace en sólidos metálicos así como para explicar las propiedades que presentan estos compuestos como el brillo, la maleabilidad y las conductividades térmicas y eléctricas. Todas estas propiedades son el resultado de la contribución de los electrones de cada átomo en la formación de un mar de electrones. Mineral de cobre Mineral de plomo (galena) Mineral de azufre Mineral de estaño Mineral de hierro (pirita) El brillo y las propiedades eléctricas derivan de la movilidad que poseen dichos electrones. La alta conductividad térmica observada en un metal es también una consecuencia de la movilidad electrónica pues un electrón puede colisionar con un átomo que esté vibrando y en la colisión el átomo transfiere su energía al electrón, el cual puede, a su vez, transferirla a otro átomo de cualquier parte del sólido. La facilidad con la que los metales pueden ser deformados es otra de las consecuencias de la movilidad de los electrones, ya que este mar de electrones puede ajustarse fácilmente y de forma rápida a las deformaciones del sólido sin modificar el enlace entre los átomos. Para más información visita: 1

2 ACTIVIDADES PREVIAS 1. Elabora una lista de los materiales metálicos que estén a tu alrededor e investiga sobre los usos que tiene cada uno de ellos. 2. Lee con atención la actividad y elabora un diagrama de flujo sobre el procedimiento experimental. 3. Selecciona muestras pequeñas de los metales Fe, Cu, Al, Sn, Pb y S. 4. Investiga en textos de Química sobre el carácter metálico. OBJETIVOS 1. Con base en propiedades físicas, diferenciar entre materiales metálicos y no metálicos. 2. Observar y describir el brillo característico de los metales Fe, Cu, Al, Sn, Pb, S. 3. Observar y determinar la conductividad eléctrica de los metales Fe, Cu, Al, Sn, Pb, S. PROBLEMA (S) A RESOLVER Por su apariencia, podríamos distinguir un metal de un no metal? Por qué conducen la corriente eléctrica algunas sustancias? 2

3 DISEÑO EXPERIMENTAL Material y sustancias MATERIAL SUSTANCIAS 1 lija de agua Trozos pequeños de: aluminio, cobre, estaño, plomo, hierro, azufre. 1 circuito eléctrico (probador de corriente) Una moneda 1 vidrio de reloj Un clavo 1 godete de plástico con 8 ó 10 cavidades ó 1 microplaca de 12 pozos ó 1 hoja de papel blanca tamaño Una llave (de la puerta) carta 1 Tabla periódica (de las se venden en las papelerías) Un trozo de vidrio Azufre en polvo Un trozo de madera Un trozo de plástico de alguna botella de desecho Precauciones Nunca se deben juntar los cables del circuito eléctrico o probador de corriente! Procedimiento En equipo de aprendizaje colaborativo realiza las siguientes actividades. 1. En cada uno de los pozos del godete (o de la microplaca o sobre la hoja de papel de forma separada) coloca las diferentes muestras de sustancias; y sobre un vidrio de reloj una muestra de azufre. 3

4 2. Observa y registra en la tabla No. 1 las características físicas de cada sustancia. 3. Lija cada uno de los materiales (menos el azufre) y observa si presentan una apariencia brillante. Anota tus observaciones en la tabla 1 4. Construye o solicita un circuito eléctrico y con precaución! determina si los materiales conducen la corriente eléctrica (coloca los cables en los extremos y observa si prende el foco). Anota tus observaciones en la tabla No. 1. Nunca juntar los cables! Por qué unos materiales conducen la corriente eléctrica y otro no? 5. En tu cuaderno, dibuja el circuito eléctrico y de manera gráfica representa cómo se realiza la prueba de conductividad eléctrica de cada uno de los metales. REGISTRO DE OBSERVACIONES, DATOS, RESULTADOS Y EVIDENCIAS EXPERIMENTALES Tabla 1. Propiedades físicas del material y sustancias Material y sustancias Clavo Madera Aluminio Cobre Puntilla de lápiz Estaño Vidrio Plomo Llave Azufre Moneda Hierro Plástico Símbolo químico del metal Aspecto físico Brillo Conductividad Si No Si No 4

5 EL MUNDO DE LA CIENCIA Y TÚ Relación Ciencia, Tecnología, Sociedad y Cuidado del Ambiente (CTS A) APLICACIONES Y USOS DEL COBRE METÁLICO El cobre es un recurso estratégico en la industria por ser un material importante en una gran cantidad de actividades económicas. Se utiliza con un gran nivel de pureza, cercano al 100%, como aleado con otros elementos. Electricidad y telecomunicaciones Cable eléctrico de cobre. El cobre puro se emplea principalmente en la fabricación de cables eléctricos, es el metal no precioso con mejor conductividad eléctrica. Esto, unido a su ductilidad y resistencia mecánica, lo han convertido en el material más empleado para fabricar cables eléctricos, tanto de uso industrial como residencial. Asimismo se emplean conductores de cobre en numerosos equipos eléctricos como generadores, motores, generadores y transformadores. La principal alternativa al cobre en estas aplicaciones es el aluminio. También son de cobre la mayoría de los cables telefónicos, los cuales además posibilitan el acceso a Internet. Las principales alternativas al cobre para telecomunicaciones son la fibra óptica y los sistemas inalámbricos. Por otro lado, todos los equipos informáticos y de telecomunicaciones contienen cobre en mayor o menor medida, por ejemplo en sus circuitos integrados, transformadores y cableado interno. Medios de transporte El cobre se emplea en varios componentes de coches y camiones, principalmente los radiadores (gracias a su alta conductividad térmica y resistencia a la corrosión), frenos y cojinetes, además naturalmente de los cables y motores eléctricos. Un coche pequeño contiene en total en torno a 20 kg de cobre, subiendo esta cifra a 45 kg para los de mayor tamaño. También los trenes requieren grandes cantidades de cobre en su construcción: 1-2 toneladas en los trenes tradicionales y hasta 4 toneladas en los de alta velocidad. Además las catenarias contienen unas 10 toneladas de cobre por kilómetro en las líneas de alta velocidad. Por último, los cascos de los barcos incluyen a menudo aleaciones de cobre y níquel para reducir el ensuciamiento producido por los seres marinos. Construcción y ornamentación Cara de la Estatua de la Libertad de Nueva York, hecha con láminas de cobre sobre una estructura de acero. 5

6 Una gran parte de las redes de transporte de agua están hechas de cobre o latón, debido a su resistencia a la corrosión y sus propiedades anti-bacterianas, habiendo quedado las tuberías de plomo en desuso por sus efectos nocivos para la salud humana. Frente a las tuberías de plástico, las de cobre tienen la ventaja de que no arden en caso de incendio y por tanto no liberan humos y gases potencialmente tóxicos. El cobre y, sobre todo, el bronce se utilizan también como elementos arquitectónicos y revestimientos en tejados, fachadas, puertas y ventanas. El cobre se emplea también a menudo para los pomos de las puertas de locales públicos, ya que sus propiedades anti-bacterianas evitan la propagación de epidemias. Dos aplicaciones clásicas del bronce en la construcción y ornamentación son la realización de estatuas y de campañas. El sector de la construcción consume actualmente (2008) el 26% de la producción mundial de cobre. Wikipedia. Cobre. Consultado el 29 de noviembre de 2010 en: Guía de debate Compara los resultados de tu equipo con los obtenidos por los otros equipos y da respuesta a las siguientes preguntas: 1. Con las observaciones realizadas, podrías diferenciar entre materiales metálicos y no metálicos? Justifica tu respuesta. 2. Qué otras propiedades tendrías que considerar y experimentar para llegar a una conclusión más general? 3. Dentro de los materiales metálicos todos tienen el mismo carácter metálico? existen algunos que conduzcan más la corriente eléctrica? Justifica tu respuesta. 4. Sobre una tabla periódica, localiza los metales con los que has trabajado e indica la tendencia general del carácter metálico. 5. Para definir el carácter metálico de los elementos químicos de la tabla periódica, qué otras propiedades se deben considerar? 6. Investiga cuáles son los materiales metálicos que más se utilizan en la industria de la construcción y por qué. Cuál es el más recomendable? 7. Cuál es la propiedad más representativa de los materiales metálicos. 6

7 Mapa conceptual Para relacionar y consolidar los conocimientos logrados a través de esta actividad, construye un mapa conceptual con los siguientes conceptos, recuerda que tú puedes agregar más conceptos: Metal Conductividad eléctrica Brillo metálico No metal Temperatura de fusión Elemento químico Mineral Fusión Temperatura de fusión No metal Maleabilidad Carácter metálico Ductibilidad Propiedades de los metales MANEJO DE RESIDUOS Las muestras metálicas deben secarse y guardarse en un frasco para su posterior utilización. Las muestras no metálicas pueden depositarse en el bote de basura. PUNTOS CLAVE 1. Un mineral es una sustancia inorgánica sólida o una solución sólida que se forma naturalmente, y tiene una estructura cristalina definida. Así, un mineral puede ser una sustancia química definida o puede ser una mezcla sólida homogénea. 2. Los metales son excelentes conductores de la electricidad; un ejemplo es el metal cobre que se utiliza en la industria eléctrica. Esta excepcional propiedad se explica de acuerdo al modelo del enlace metálico o enlace deslocalizado. Un cristal del metal hierro es un excelente ejemplo de este tipo de enlace, en la imagen se observa un arreglo de iones Fe 2+ rodeados por un mar de electrones. Los electrones de valencia o de enlace están deslocalizados sobre todo el cristal del metal. La libertad de estos electrones para moverse a través del cristal es la causa de la conductividad eléctrica de un metal. 7

8 3. Conductividad eléctrica en metales según el modelo de Drude: Actividad experimental En el año 1900, el físico alemán Paul Drude modeló la conductividad eléctrica en metales de una forma muy intuitiva. Según este modelo, los conductores metálicos son arreglos regulares de átomos formando una red cristalina que contiene una gran cantidad de electrones libres que se mueven aleatoriamente como lo hacen las moléculas de un gas contenido en un recipiente, con una rapidez media del orden de 10 6 m/s. Si no hay campo existe un campo eléctrico externo el flujo neto de electrones libres es cero, esto es, la velocidad promedio de los electrones es cero. 4. Durante 2009 la producción mundial de cobre fue de 15,870 millones de toneladas métricas, el principal país productor es Chile (más de un tercio del total), le sigue Perú y Estados Unidos. En ocasiones los metales no se encuentran como elementos puros, se pueden encontrar en forma de compuesto, mezcla o aleación. La mayoría de los metales se encuentran como aleaciones formadas por el metal y pequeñas cantidades de algunos otros metales. Por ejemplo, la joyería de oro se hace de una aleación que es una solución sólida de oro que contiene algo de plata. El oro puro es demasiado blando para ser usado en joyería y la aleación resulta mucho más dura. El metal para soldadura es una aleación de estaño con plomo y su temperatura de fusión es baja. El bronce es una aleación de cobre y estaño. El acero es una aleación de hierro con carbón. El latón es una aleación de cobre con 20% a 50% de zinc y es importante para fabricar moldes para fundición. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Chang, R. (2008) Química. McGraw Hill, México. 2. Dingrando, L., Gregg, K., Hainen, N., Wistrom, Ch. (2008). Química Material y Energía. Mc Graw Hill, México. 3. Garritz, A., Chamizo, J.A., (2001). Química. Ed. Pearson Educación de México, S.A. de C.V., México. 4. Navarro, C., Montagut,P., Carrillo,M., Nieto, C., González, R. M., Sansón, C., Lira, S. (2009). Enseñanza Experimental en Microescala en el Bachillerato Química III. UNAM CCH Sur. 5. Phillips S., Strozak S., Wistrom Ch. (2008). Química Conceptos y Aplicaciones. McGraw Hill, Colombia. REFERENCIAS ELECTRÓNICAS 1. Física y Química blog spot. Física y química. Consultado el 3 de diciembre de 2010 en: fyq4eso.blogspot.com/2009_09_01_archive.html 2. Didáctica Perú. La conductividad eléctrica de los metales. Consultado el 3 de diciembre del 2010 en: 8

9 REFERENCIAS DE IMÁGENES 1. Imágenes fotográficas: Maestra Francis Navarro León 2. Física y Química. Enlace metálico. Consultado el 3 de diciembre del 2010 en: blogspot.com/2009_09_01_archive.html 9

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