Binárea de Ciencias Ciencias Naturales [ en Puerto ] www.puertodepalos.com.ar info@puertodepalos.com.ar /EditorialPuertodePalos BUENOS AIRES 6
1 CAPÍTULO CONTENIDOS ESTADOS DEL AGUA EN LA NATURALEZA // MODELO CINÉTICO CORPUSCULAR DE LA MATERIA // CAMBIOS DE ESTADO // MEZCLAS // MÉTODOS DE SEPARACIÓN DE FASES // SOLUCIONES // MÉTODOS DE SEPARACIÓN DE LOS COMPONENTES DE UNA SOLUCIÓN // AGUAS NATURALES Y MINERALES // AGUAS CONTAMINADAS // PROCESO DE POTABILIZACIÓN DEL AGUA El agua, las mezclas y las soluciones [ Los materiales ] El agua constituye un recurso natural muy valioso y fundamental para todos los seres vivos que habitan el planeta. En nuestra vida cotidiana, utilizamos y consumimos agua en diversas situaciones, a veces, incluso, sin darnos cuenta.
Antes de zarpar Observen la imagen y anoten en sus carpetas las respuestas a estas preguntas. a. De cuántas formas distintas encuentran el agua en la imagen? Cuáles son? b. En qué situaciones el agua se encuentra mezclada con otras sustancias? c. Será bueno beber agua del mar? Y de la canilla de sus casas? Por qué? d. Cómo creen que podrían cuidar el agua?
AGUA GASEOSA AGUA SÓLIDA Los estados del agua en la naturaleza AGUA LÍQUIDA Los materiales se presentan en diversos estados. Los más conocidos son: el sólido, el líquido y el gaseoso. El agua es la única sustancia que se puede encontrar al mismo tiempo en los tres estados: gaseoso, como vapor de agua invisible, en la atmósfera; líquido, en ríos, mares, lagos, océanos y nubes, y sólido, como hielo, en las cumbres nevadas, en los glaciares y como pequeños cristales en algunas nubes. Un modelo para la materia Tanto el agua como los distintos materiales pueden pasar de un estado a otro. Para explicar qué se modifica durante un cambio de estado, por qué ocurre, cómo están constituidos y cómo se comportan los sólidos, los líquidos y los gases, se utilizan representaciones llamadas modelos científicos. Los científicos consideran que la materia es discontinua, es decir, que está formada por partículas muy pequeñas y en constante movimiento, invisibles al microscopio. Este modelo se llama modelo cinético corpuscular de la materia. Cinético es un término que hace referencia a movimiento. Observen cuáles son las características de los principales estados de la materia de acuerdo con este modelo. ESTADO CARACTERÍSTICAS MODELO SÓLIDO Una determinada cantidad de materia en estado sólido ocupa un espacio definido, y su forma no depende de dónde se encuentre colocada. Entre las partículas de los sólidos, hay intensas fuerzas que hacen que aquellas no se desplacen. Por eso el sólido mantiene un determinado volumen y una determinada forma. Sin embargo, las partículas tienen movimientos de vibración. LÍQUIDO GASEOSO Una cantidad dada de materia en estado líquido tiene un determinado volumen, y su forma depende del recipiente en el que se encuentra. La materia en estado gaseoso ocupa todo el espacio que le brinde el recipiente en el que esté, y toma su forma. Las fuerzas de atracción entre las partículas no son muy intensas. El líquido tiene volumen propio. Sus partículas se mueven con cierta libertad, vibran y se trasladan. Los líquidos se derraman, son fluidos, no tienen forma propia. Entre las partículas de un gas casi no hay fuerzas de atracción. Estas se mueven libremente y de manera desordenada. Por este motivo, los gases son fluidos, no tienen forma definida, y sus partículas tienden a separarse. Si el recipiente está abierto, se escapan. 10 CAPÍTULO 1 El agua, las mezclas y las soluciones
Un modelo para los cambios de estado Para explicar los cambios de estado, también se utiliza el modelo cinético corpuscular. Observen algunos ejemplos. Para fundir un material en estado sólido, hay que calentarlo, es decir, entregarle energía en forma de calor. La fusión es un proceso endotérmico, ya que absorbe energía. Cuando se entrega calor a un sólido, sus partículas se mueven más rápido, con más energía y, además de vibrar, se trasladan. De esta manera, el material ya no mantiene su forma. El proceso inverso sucede cuando enfriamos un líquido. Durante la solidificación se libera energía, por eso se dice que es un proceso exotérmico. Al tener menos energía, las partículas se mueven con mayor lentitud, sus fuerzas de atracción son más intensas y, por lo tanto, el material toma una forma definida. Si un líquido se calienta mucho, es probable que hierva. La ebullición es un proceso endotérmico por el cual el líquido pasa al estado gaseoso. En este proceso se forman burbujas de gas, que ascienden hasta la superficie del líquido y escapan. Si el pasaje al estado gaseoso ocurre solo en la superficie del líquido, se lo denomina evaporación. El cambio opuesto es exotérmico, y se denomina condensación. VOLATILIZACIÓN FUSIÓN VAPORIZACIÓN no varía, es decir, la cantidad de materia se conserva. Durante los SÓLIDO LÍQUIDO GASEOSO cambios de estado, el número de partículas {p. 22} SOLIDIFICACIÓN CONDENSACIÓN SUBLIMACIÓN Durante los cambios de estado, la energía se transforma. Por ejemplo, en la fusión, la energía que recibe el material se transforma en energía de movimiento o cinética. Como vimos, la materia está formada por pequeñas partículas. Por ejemplo, una gota de agua contiene millones de partículas denominadas moléculas que, a su vez, están formadas por átomos. Así, cada molécula de agua está compuesta por tres átomos: uno de oxígeno y dos de hidrógeno. A veces, esos átomos tienen carga eléctrica y se llaman iones. Es el caso, por ejemplo, de la sal, que está formada por átomos de sodio y de cloro, cada uno con cargas eléctricas diferentes. El amarradero 1 Respondan a las preguntas. a. En qué estado las partículas de la materia se encuentran más separadas entre sí? b. A qué se debe esto? 2 Expliquen en qué se diferencian y qué tienen en común un material que se encuentra en estado líquido y el mismo material, pero en estado gaseoso. 11
Las mezclas PLÁSTICO VIDRIO JUGO En un objeto podemos delimitar más de un sistema material. Estamos rodeados de una gran variedad de objetos y de materiales. Cuando deseamos estudiarlos, cada uno de estos objetos se considera un sistema material, por ejemplo, una jarra de vidrio que contiene jugo y está cerrada con una tapa de plástico. Si se quisiera estudiar solamente las características del jugo, este sería nuestro sistema material, y el resto (jarra, aire y tapa) conformarían lo que se denomina medio externo. Cuando en los sistemas materiales se distinguen diferentes partes o fases, ya sea a simple vista o con aparatos ópticos, se trata de sistemas heterogéneos. La arena es una mezcla heterogénea porque en ella se pueden distinguir diversas fases: fragmentos de roca de diferentes colores, brillos y texturas. En cambio, si las mezclas presentan un aspecto uniforme, y en ellas no se diferencian fases a simple vista ni con ningún aparato óptico, se denominan mezclas homogéneas o soluciones. Por ejemplo, la sal se disuelve en agua, y se forma una mezcla homogénea: agua salada, que es una solución. Observen algunos sistemas materiales heterogéneos y homogéneos. MEZCLAS HETEROGÉNEAS La ensalada de vegetales es una mezcla heterogénea. El hormigón que se usa para construir edificios es una mezcla que contiene cemento, arena, piedra y otros componentes. El agua de mar es una mezcla heterogénea que contiene agua, sales, arena y otras partículas en suspensión. MEZCLAS HOMOGÉNEAS La miel, el aceite, los limpiadores multiuso y los detergentes son mezclas homogéneas o soluciones, ya que en ellos no podemos distinguir fases. 12 CAPÍTULO 1 El agua, las mezclas y las soluciones
Métodos de separación de fases Para investigar un sistema heterogéneo, es necesario separar sus fases. De esta manera, se pueden estudiar sus componentes de manera individual. Para ello, se utilizan diferentes métodos de separación. El método elegido depende, por un lado, de las propiedades de cada una de las fases, y, por otro, de lo que se quiera hacer con cada una de ellas. Por ejemplo, si lo que se necesita es utilizar las fases que se separaron, se utilizará un método; en cambio, si lo que se quiere es conservar alguno de sus componentes, se utilizará otro método. En muchos casos, se necesita utilizar más de un método, por ejemplo, en los sistemas compuestos por más de dos fases. Observen los distintos métodos de separación que se pueden utilizar. TRÍA Es el método que se utiliza cuando se tiene una fase líquida y otra sólida en fragmentos, como agua con cubitos de hielo. Estos se separan con una pinza u otro objeto. IMANTACIÓN TAMIZACIÓN FILTRACIÓN Si una mezcla contiene un sólido magnético y otro que no lo es, por ejemplo, clavos de acero con aserrín de madera, se separa con un imán. El imán atraerá el sólido que posee hierro. Para separar dos sólidos de diferente tamaño, como una mezcla de arroz crudo y sal fina, se utiliza un tamiz. El arroz queda sobre el tamiz, y la sal fina cae. Para separar un líquido de un sólido en polvo, por ejemplo, una mezcla de polvo de ladrillo y agua, se usa un filtro de papel o tela, siempre que el polvo no atraviese los orificios del filtro. El amarradero 1 Indiquen si los siguientes sistemas materiales son homogéneos o heterogéneos. Luego, mencionen la cantidad de sustancias que los componen. a. Tornillos y clavos. b. Agua y una rodaja de limón. c. Agua y alcohol. 2 Inventen tres sistemas materiales que reúnan las siguientes características. a. Tiene dos fases que se separan por tamización. b. Tiene tres fases que se separan por imantación y luego por tamización. c. Tiene dos fases que se separan por filtración. 13
Rumbo a... Una planta potabilizadora El agua potable es agua apta para ser consumida, ya que no le provoca ningún daño a la salud. Muchas veces, las aguas obtenidas de fuentes naturales no son potables, y, por lo tanto, es necesario potabilizarlas y luego distribuirlas para su uso. Observen cómo funciona una planta de potabilización de agua. [ Planta de potabilización ] BOMBEO DE BAJA TANQUE DE DESINFECCIÓN DECANTADOR FILTRO TANQUE DE RESERVA CAPTADOR CAPTACIÓN COAGULACIÓN DECANTACIÓN FILTRACIÓN CLORACIÓN El agua es captada por torres de toma y es conducida a una planta potabilizadora en la cual hay unas bombas que la elevan hasta una cámara de carga. En la cámara se le agrega un coagulante que hace que la arcilla que contiene el agua de río se agrupe formando partículas más grandes llamadas flocs. La mezcla de agua y coagulante va a unas piletas denominadas decantadores; allí permanece dos horas casi inmóvil. Los flocs se juntan en grandes coágulos y, por su densidad, caen al fondo, es decir, decantan. Se lleva el agua hacia unos filtros que eliminan la turbidez que le pueda quedar y se vuelve cristalina. Se adiciona cloro al agua con el fin de desinfectarla y eliminar cualquier tipo de microorganismo, como las bacterias, que pueda causar enfermedades a las personas. 20 CAPÍTULO 1 El agua, las mezclas y las soluciones
[ Cuidado del agua ] El agua es un recurso indispensable para la vida. Las reservas de agua potable de nuestro planeta son escasas, y debemos cuidarlas. Para ello, presentamos una serie de consejos que podemos aplicar en nuestra vida cotidiana: 1 Evitar la utilización de mangueras para el riego y la limpieza de la vereda. 6 Revisar el estado de las cañerías y las llaves de la casa, para que no haya pérdidas. 5 Usar el lavarropas y el lavavajillas de forma inteligente: elegir modos bajo consumo, y llenarlos bien para aprovechar cada lavado 2 Elegir las duchas cortas en lugar del baño de inmersión, y evitar jugar con el agua. 3 Limpiar las frutas y verduras en un recipiente, a fin de poder reutilizar el agua para otras tareas. 4 Cerrar la llave mientras se lavan las manos o se cepillan los dientes. [ Qué significa que el agua sea potable? ] Para que el agua sea potable y apta para su consumo, debe cumplir con ciertos requisitos establecidos por la Organización Mundial de la Salud (OMS). Física: debe ser incolora o translúcida, inodora y de sabor agradable. ALCALINIZACIÓN Por último, para contrarrestar la acidez que el coagulante le dio al agua, se agrega cal. Así se convierte en agua potable y está lista para el consumo. BOMBEO DE ALTA A LA CIUDAD EL AGUA EN LAS CASAS El agua potabilizada debe ir desde la planta potabilizadora hasta las casas. Para ello es conducida por grandes conductos llamados ríos subterráneos, que se van achicando cada vez más hasta llegar a las casas y edificios en donde el agua se almacena en tanques. Biológica: no debe contener plancton superior a 300 unidades por mililitro. Radiológica: no debe contener materiales radiactivos. Bacteriológica: no debe contener ningún contaminante biológico, sean microbios o gérmenes, causantes de enfermedades como diarrea, hepatitis A, cólera, fiebre amarilla o tifus, entre otras. Química: no debe superar el límite de sustancias químicas disueltas que puedan causar intoxicación, como plomo, arsénico y cromo. 21
[ Taller de Ciencias ] El astillero La rapidez de la evaporación Los materiales líquidos se pueden evaporar. Algunos factores influyen en la rapidez con que se evapora un líquido. En esta actividad explorarán cuáles son esos factores. almacén de materiales Alcohol, aceite, 3 platitos de cerámica, 3 goteros, reloj con segundero, 1 vela, fósforos. Para hacer y pensar 1 En un platito coloquen una gota de alcohol; en otro, una gota de agua, y en otro, una gota de aceite. 2 Anoten en sus carpetas cuánto tiempo tardan en evaporarse cada una de las gotas. El resultado fue el mismo en todos los casos? Cuál se evaporó más rápido? Cuál tardó más? 3 En el plato que usaron para el agua, coloquen otra gota de agua. Calienten el plato por debajo con la llama de la vela. 4 Registren en sus carpetas el tiempo que tarda la gota en evaporarse. Coincide este tiempo con el que registraron antes, sin el calor de la llama? Por qué? Para reflexionar 1 La rapidez de la evaporación depende de cuál es el líquido? Por qué? 2 En cuál de los líquidos utilizados suponen que las fuerzas de atracción entre sus partículas son más intensas? Por qué? 3 A qué suponen que se debe que la evaporación de un líquido sea más rápida en caliente que a temperatura ambiente? PROCEDIMIENTO PREDECIR En el ámbito científico, existe la posibilidad de anunciar que algo va a suceder; esto es predecir. Para poder elaborar predicciones, los científicos elaboran explicaciones de los fenómenos naturales. Para ello, observan fenómenos y, mediante las teorías, intentan dar sentido a sus observaciones por medio de explicaciones. Incluso, las teorías tienen más valor cuanto mayor sea el número de relaciones establecidas entre fenómenos que, en principio, podrían parecer no estar relacionados entre sí. Por ejemplo, muchos científicos intentan establecer explicaciones que relacionan el estado de los materiales y sus usos. Uno de los aspectos que hacen que el cuerpo de ideas que constituyen una teoría tenga mayor validez es, entre otras cosas, la capacidad de predecir sucesos o fenómenos. De esta manera, si se establece un modelo de cómo es la materia como el modelo cinético corpuscular y luego, se realiza una predicción basada en ese modelo, se habrá agregado una evidencia experimental que permite sostener que el modelo es correcto. 1. Qué plantea el modelo cinético corpuscular sobre la estructura de la materia? 2. Elaboren una explicación que incluya lo que sucedería si un material en estado líquido se calentara. 22 CAPÍTULO 1 El agua, las mezclas y las soluciones
El gran amarradero [ Actividades de integración ] 1 Observen las siguientes imágenes, y luego, respondan. A B C D a. Indiquen en qué estado se encuentra cada uno de los materiales. b. Identifiquen, en cada caso, si se trata de mezclas heterogéneas o de soluciones. Justifiquen. 2 Tengan en cuenta la siguiente lista para preparar bebidas y comidas. Luego, propongan tres preparaciones, e indiquen si se tratan de mezclas heterogéneas o de soluciones. Justifiquen su respuesta. Leche / saquitos de té / café de filtro / crema / azúcar / tomate / agua / avena / fideos / arroz / harina / huevos / limón / aceite / lechuga 3 Lean la siguiente información y resuelvan. Juan hizo una mezcla con 20 granos de pimienta y una cucharada de sal fina. Camila, en cambio, mezcló una cucharada de pimienta molida y una cucharada de sal fina. a. Describan cada uno de los sistemas materiales. Son iguales? Por qué? b. Cómo podría separar Juan la sal de los granos de pimienta? Por qué? Describan el procedimiento que utilizarían. c. Para la mezcla de Camila, podrían usar un colador para separar la sal de la pimienta? Por qué? 4 Indiquen la cantidad de fases y de componentes de las siguientes mezclas. a. Agua salada y dos trozos de hielo. b. Azúcar con agua. c. Yerba mate y agua caliente. 5 Elijan la respuesta correcta y expliquen por qué lo es. La sal se disuelve en agua porque las moléculas de azúcar a.... se meten dentro de las moléculas de agua. b.... se achican. c.... son atraídas por las moléculas de agua. d.... se rompen. 6 Relean el proceso de potabilización del agua. Luego, indiquen qué métodos de separación de fases intervienen en él. 7 Relean las respuestas a las preguntas de la apertura. Cuáles de sus ideas cambiaron después de estudiar el capítulo? Les surgieron nuevas preguntas? Cuáles? Qué es lo que más les llamó la atención? Qué les resultó más interesante? Qué aprendieron en este capítulo? 23