Preparatoria Abierta

QUÍMICA I

Fasc. 1

CAPÍTULO 2. OBJETO DE ESTUDIO DE LA QUÍMICA

2.3 CAMBIOS DE LA MATERIA

2.3.3 CAMBIOS NUCLEARES

Un cambio nuclear consiste en la modificación del número de partículas (protones y neutrones) de los núcleos que forman los átomos de los elementos químicos. Cuando se presenta un cambio de este tipo, existen grandes cantidades de energía asociadas a él, debido a que son muy grandes las fuerzas que mantienen unidas las partículas en los núcleos.

La radiactividad es el resultado de un cambio nuclear. Todos los núcleos de los elementos químicos tienen una estructura específica y generalmente estable cuando es igual el número de protones (partículas con carga positiva) y neutrones (partículas sin carga), pero a medida que se incrementa el tamaño y peso del núcleo, se provoca una inestabilidad en él, debido a las fuerzas de repulsión de los protones, lo que da origen a la radiactividad. Ésta se presenta de tres maneras, como emisión de partículas alfa (D), beta (E) y emisión de radiaciones gama (J).

La radiactividad puede utilizarse para establecer la edad de fósiles o restos arqueológicos, ya que existen detectores sumamente sensibles que pueden medir los cambios nucleares presentados en la estructura original de los objetos. La medicina nuclear utiliza compuestos radiactivos como marcadores con propósitos de diagnóstico o para el tratamiento de enfermedades.

Además de la radiactividad, existen otros tipos de cambios nucleares: la fisión y la fusión nuclear. La fisión consiste en la separación o rompimiento de un núcleo pesado para formar dos núcleos más ligeros. La fusión nuclear es el proceso inverso ya que consiste en obtener un núcleo más pesado a partir de la unión de dos ligeros. En ambos casos, para iniciar el proceso se requiere gran cantidad de energía, pero la cantidad de energía que se libera es mucho mayor.

En los reactores nucleares se aprovecha la fisión para producir energía eléctrica en gran escala. Las bombas atómicas como las que se hicieron estallar en 1945 en Japón, son ejemplos en los que la fisión nuclear se utilizó con fines destructivos.

Un ejemplo de fusión nuclear que ocurre continuamente a nuestro alrededor es el que produce la energía solar.

Muchos de los grandes sabios, sobre todo del siglo pasado, murieron con la frustración de no poder explicarse qué pasa en el Sol.

Es fácil entender que la cantidad de energía que la Tierra recibe del Sol en forma de luz y calor es inmensa, capaz de conservar la temperatura suficiente para la vida. Sin embargo, la energía que sale de la esfera solar se dispersa hacia todos lados, de modo que la Tierra capta una mínima parte respecto de la cantidad total producida.

Si bien el Sol es mucho más grande que la Tierra, este gasto de energía lo hubiera consumido por completo si su combustible fuera del tipo que usamos en nuestro planeta. Durante un tiempo se pensó que estaría formado simplemente por un combustible desconocido en la Tierra; sin embargo, la espectroscopía mostró que el Sol está formado preferentemente por hidrógeno, un elemento muy abundante en el planeta.

¿Qué clase de cambio ocurre en el hidrógeno para que se genere tanta energía?

La respuesta está en un cambio que sucede a nivel nuclear: Aun cuando las reacciones en el Sol son muy complejas, la más importante de ellas se debe a la fusión nuclear.

En las condiciones generadas por la inmensa fuerza gravitacional debida a la masa del Sol. Y la altísima temperatura en su interior, los núcleos de hidrógeno se juntan para formar núcleos de helio (He); parte de la masa de los núcleos de hidrógeno se convierte en energía, siendo ésta la fuente de la energía que emite el Sol. El hidrógeno que aún tiene el astro, a pesar de que ha brillado por cinco mil millones de años, le será suficiente para seguir emitiendo energía al menos por otro periodo semejante.

Los cambios nucleares ocurren a nuestro alrededor todo el tiempo de manera natural, sin que nos percatemos, y son hasta cierto punto inofensivos. La ciencia ha aprendido a producir estos cambios artificialmente, creando plantas nucleares, con la finalidad de resolver el problema de los energéticos; sin embargo, se requiere establecer numerosas medidas de seguridad ya que un accidente en su funcionamiento puede traer consecuencias desastrosas para la humanidad, como ha ocurrido en algunos países.

Algo importante que debes observar es que en el caso de los cambios nucleares, las leyes de conservación, tanto de la materia como de la energía, se reúnen por la posibilidad de transformar una en otra.

En 1905 Albert Einstein (1879-1955), uno de los científicos más sobresalientes de la historia de la humanidad, expresó una teoría sorprendente para su época, la cual afirma que en realidad la materia y la energía son dos formas diferentes de lo mismo y se pueden transformar entre sí. Lo anterior se representa en la siguiente fórmula, cuya belleza consiste en su sencillez y profundidad:

E = mc2

Para determinar la cantidad de energía que se produce en una reacción nuclear, se aplica la ecuación anterior, que significa que la energía (E) producida a partir de una porción de materia es igual a su masa (m), multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz (c). Así por ejemplo, 1 g de uranio produce tanta energía como las que produciría 2,600,000 kg de carbón al quemarse. Una pequeñísima cantidad de materia se convierte en cantidades enormes de energía; esto es lo que ocurre en el Sol. Así es explicable que se diga que la materia es energía concentrada.

Traduciendo lo anterior a lo que se conoce como la Ley de la Conservación de la Materia y la Energía se llega al siguiente enunciado: “La cantidad total de materia y energía del universo no aumenta ni disminuye (no se crea ni se destruye); no obstante, la materia y la energía pueden transformarse entre sí”.

ACTIVIDAD DE REGULACIÓN

1. A continuación te presentamos un cuadro en el cual deberás indicar a qué tipo de cambio (Físico, Químico o Nuclear) corresponden los fenómenos y/o actividades que están en la primer columna, para ello puedes emplear una “X”.

Fenómeno y/o Actividad Cambio Físico Cambio Cambio
Químico Nuclear
1. La explosión en Hiroshima
2. La fusión del hielo
3. La energía del sol
4. La corrosión de un clavo
5. Freír huevos
6. Hervir agua
7. Pila eléctrica
8. Hornear un pastel
9. Prender un fósforo
10.Combinación de agua con azúcar

EXPLICACIÓN INTEGRADORA

Desde que el hombre comenzó a notar que a su alrededor ocurrían cambios, intentó de alguna manera controlarlos. Así, al dominar el fuego se anotó el primer acierto respecto al control de los cambios. Más adelante aprendió a fabricar herramientas rudimentarias y con el tiempo a extraer metales. En la Edad Media los alquimistas intentaban fabricar fórmulas mágicas para obtener juventud eterna o pretendían transformar tierra o carbón en metales o piedras preciosas. En realidad todos estos intentos no fueron otra cosa más que tratar de controlar los cambios.

Fue hasta finales del siglo XVIII cuando Antoine L. Lavoisier y algunos de sus contemporáneos comenzaron a realizar estudios sistemáticos sobre la forma en que se verificaban los cambios, dando a la Química un carácter de ciencia experimental al introducir en ella la cuantificación.

La Química tiene como propósito controlar y cuantificar los cambios. La aplicación de los conocimientos químicos impulsa el desarrollo de la tecnología y constituye gran parte del poder económico de un país. Para darte cuenta de la importancia de la química en la vida cotidiana, no hay más que dar un vistazo a todos los procesos donde esta ciencia tiene un papel importante a nivel económico, político y social, por ejemplo:

La industria del petróleo es fundamentalmente química, ya que después de la extracción se lleva a cabo los procesos de refinación y transformación en una gran cantidad de subproductos útiles para la vida cotidiana como son los plásticos, los aceites, la gasolina, el gas, etcétera.

La industria química produce reactivos y una gran cantidad de productos necesarios para el desarrollo de otras industrias, tales como: ácidos, bases, sales, fertilizantes, detergentes, etcétera.

La industria alimentaria utiliza aditivos, colorantes, saborizantes, etc., en el procesamiento de los alimentos.

La industria farmaceútica produce medicamentos y otros muchos productos necesarios para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades.

La industria metalúrgica produce metales y aleaciones de alta pureza, gracias al tratamiento químico de los minerales extraídos de las minas.

Los anteriores son sólo algunos ejemplos de la importancia de los cambios químicos y éstos de alguna manera representan el índice de desarrollo de un país, ya que actualmente nuestra forma de vida depende en gran parte de la fabricación de estos productos y muchos más.

 

ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 3

”CAMBIOS FÍSICOS Y QUÍMICOS” (OBLIGATORIA)

Objetivo

Identificar el objeto de estudio de la Química, mediante problemas que resalten las manifestaciones de la materia, la energía y su interacción en los cambios, para que puedas organizar los conocimientos que adquirirás sobre la disciplina y las relaciones con tu entorno.

Cuestionario de conceptos antecedentes.

  1. ¿Qué le sucede al agua cuando se calienta?

  2. Describe las principales características de un sólido, de un líquido y de un gas.

  3. ¿Cuál es la diferencia básica entre calor y temperatura?

  4. Escribe cinco ejemplos de cambios físicos y cinco de cambios químicos.

  5. Escribe tres ejemplos de mezclas homogéneas y tres de mezclas heterogéneas.

Experimento I

En este experimento podrás observar la interacción de la materia con la energía en la producción de energía calorífica a partir de la energía química.

¿Qué necesitas?

  • 1 tela de alambre con asbesto

  • 1 vaso de precipitados de 100 mL

  • Papel de estraza

  • 1 tripié

  • 1 vidrio de reloj

  • 1 agitador de vidrio de 90 mm de diámetro

  • Acido sulfúrico (H2SO4)

  • Etanol u otras sustancias inflamables (CH3-CH2OH)

  • Permanganato de potasio (KMnO4)

Procedimiento:

Agregar 2 gotas de Etanol sobre el papel de estraza, el permanganato de potasiodepositado en vidrio de reloj y el Ácido Sulfúrico en el vaso de precipitados, moja elagitador de vidrio en el Ácido Sulfúrico y después imprégnalo con el Permanganato de Potasio y colócalo sobre el papel de estraza que está mojado con el Etanol. Por último observa lo que ocurre, si es necesario repite varias veces esta acción, tal y como muestra la figura siguiente.

Figura 8. Interacción de la materia con la energía en la producción de energía calorífica.

Nota: Hay que tener mucho cuidado con este experimento, ya que al realizarlo se producen sustancias tóxicas y peligrosas.

¿Qué pasará al poner en contacto las diferentes sustancias?.

¿Qué pasará al poner en contacto del ácido sulfúrico y el permanganato de potasio con el papel impregnado de etanol?.

Hipótesis:

Registro de observaciones: Experimento II

En este experimento podrás observar los cambios de la materia al interactuar con la energía calorífica.

¿Qué necesitas?

  • Una lámina de cobre (Cu) ☞ 2 mL etanol (CH3CH2OH)

  • 0.5 g de yodo (cristales) (l2) ☞ 2 mL agua (H2O)

  • 0.5 sulfato de cobre (ll) pentahidratado ☞ 0.5 g azúcar (CuSO4 x 5H20) ☞ 0.5 g hojas secas (árbol)

  • 0.5 cloruro de cobalto (II) hidratado ☞ Espátula de acero inoxidable o de

(CoCl2 x H2O) ☞ 5 cm magnesio (cinta) (Mg) ☞ 0.5 g azufre (polvo) (S) ☞ 0.5 g óxido de zinc (ZnO) ☞ 0.5 cloruro de potasio (K Cl) porcelana ☞ 10 tubos de ensaye de 16 x 15 mm. ☞ Pinzas para tubo de ensaye ☞ Mechero Bunsen ☞ Pinzas para crisol
Procedimiento
Numera nueve tubos colocando en cada uno la sustancia que se indica en tabla

siguiente y calienta tal y como se muestra en la figura.

Figura. 9 Interacción de la materia con la energía calorífi

¿Qué crees que pase si calientas cada una de las sustancias?.

Hipótesis:

Registro de observaciones.

TUBO SUSTANCIA FÓRMULA OBSERVACIONES CAMBIO
1 Yodo
2 Sulfato de cobre
3 Cloruro de cobalto
4 Azufre
5 Óxido de Zinc
6 Cloruro de Potasio
7 Etanol
8 Agua
9 Azúcar

Las sustancias que se calientan a fuego directo o en la flama son:

SUSTANCIA FÓRMULA OBSERVACIONES CAMBIO
Lámina de cobre
Cinta de Magnesio
Hojas secas (árbol)

Experimento III

En este experimento podrás observar la acción de algunas sustancias en la cocción de verduras.

¿Qué necesitas?

  • 3 vasos de precipitados de 100 mL ☞ 1 probeta graduada de 100 mL

  • 1 tripié ☞ 1 calabacita mediana cruda

  • 1 mechero Bunsen ☞ 5 mL vinagre de alcohol

  • 1 tela de alambre con asbesto ☞ 1.0 g bicarbonato de sodio (Na HCO3)

  • 1 espátula de acero ☞ Agua (H2O)

  • 1 probeta graduada de 25 mL

Procedimiento

Numerar tres vasos de precipitados colocando en cada uno 50 mL de agua, al vaso No. 2 añadir 5 mL de vinagre, al vaso No. 3 1.0 g de bicarbonato de sodio, agregando a cada uno un trozo de calabacita del mismo tamaño, calentar hasta cocción (cuando se ablande la calabacita).

Figura 10. Sustancias en la cocción de verduras.

Si colocas tres pedazos iguales de calabacita en tres vasos de precipitado diferentes con el mismo volumen de líquido y calientas, ¿qué crees que pase?.

Hipótesis:

Registro de observaciones:

ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 4

"MATERIA, ENERGÍA Y CAMBIOS" Objetivo

Identificar el objeto de estudio de la Química, mediante experimentos donde se vean; la materia, la energía y sus cambios, para que puedas establecer su interacción.

Cuestionario de conceptos antecedentes

  1. ¿Qué le sucede al agua cuando se calienta? _________________________________

  2. Describe las principales características de un sólido, de un líquido y de un gas.

  3. ¿Cuál es la diferencia básica entre calor y temperatura?_____________ __________

  4. Escribe cinco ejemplos de cambios físicos y cinco de cambios químicos.

  5. Escribe tres ejemplos de mezclas homogéneas_______________________________

Experimento l

Objetivo

Observar la interacción de la materia con la energía en la producción de energía calorífica a partir de la energía química.

Hipótesis

Considera la siguiente pregunta para elaborar tu hipótesis.

¿Qué supones que pase al contacto de la glicerina y el permanganato de potasio con el papel?.

¿Qué necesitas?

Materiales Sustancias

  • 1Tela de alambre con asbesto ☞ 5 gr de permanganato de potasio

  • 1 Vaso de precipitados de 100 mL ☞ Glicerina

  • Papel de estraza

  • 1 Tripié

  • 1 Vidrio de reloj

Prevención y seguridad.

Trabajar en área bien ventilada y teniendo la mayor distancia posible con la mesa de trabajo.

Permanganato de potasio: Sustancia muy oxidante que reacciona violentamente con glicerina causando combustión y gases tóxicos, evita el contacto con la piel y su inhalación. Si te cae en la piel o en los ojos lava inmediatamente al chorro de agua la zona afectada por 15 minutos para retirar la mayor cantidad posible y llama al responsable del laboratorio.

Glicerina: Sustancia que reacciona violentamente con el permanganato de potasio.

¿Cómo hacerlo?

Coloca sobre el tripié, la tela de alambre con asbesto y encima de ésta, un papel de estraza.

Espolvorea 0.5 g de permanganato de potasio sobre el papel y con mucho cuidado agrega 2 gotas de glicerina.

Espera 20 segundos y observa.

Precaución

Hay que tener mucho cuidado con este experimento manteniéndose a distancia de la mesa de trabajo, ya que al realizarlo se producen sustancias tóxicas y peligrosas con las que no debes tener contacto.

Registro de observaciones

¿Qué pasó al agregar la glicerina al permanganato de potasio?.

Eliminación de desechos.

Los residuos de la reacción colócalos en el bote de la basura para evitar la contaminación del ambiente.

Experimento II

Objetivo

Observar los cambios de la materia al interactuar con la energía calorífica.

Hipótesis

Considera la siguiente pregunta para elaborar tu hipótesis. ¿Qué crees que pase si calientas cada una de las sustancias?.

¿Qué necesitas?

Materiales Sustancias

  • 1 Espátula de acero inoxidable o de ☞ Una lámina de cobre (Cu) porcelana. ☞ 0.5 g de iodo

  • 9 Tubos de ensayo de 16 x 15 mm ☞ 0.5 g de sulfato de cobre

  • 1 Pinzas para tubo de ensayo ☞ 0.5 g de cloruro de cobalto

  • 1 Pipeta de 5 mL ☞ 5 cm de cinta de magnesio

  • 1 Mechero Bunsen ☞ 0.5 g de azufre

    • 1 Pinzas para crisol ☞ 0.5 g óxido de zinc

      • 2 mL etanol

      • 2 mL de agua

      • 0.5 g de azúcar

      • 0.5 g de hojas secas

Prevención y seguridad

La indicada para el calentamiento con mechero y la que se requiere para calentar tubos

de ensayo. Las reacciones se deben realizar en un lugar bien ventilado. Iodo.- Sustancia tóxica, reacciona violentamente con etanol; sus vapores irritan los ojos y el sistema respiratorio y su ingestión causa graves daños.

Magnesio.- Sustancia inflamable, reacciona con ácidos fuertes generando hidrógeno que es inflamable. Azufre.- Sustancia tóxica, al reaccionar con oxígeno produce gases tóxicos. Etanol.- Líquido muy volátil e inflamable.

¿Cómo hacerlo?

Coloca por separado en los tubos de ensayo, cada una de las siguientes sustancias: iodo, sulfato de cobre, etanol, cloruro de cobalto, agua, óxido de zinc y las hojas secas. Calienta con cuidado en el mechero de Bunsen.

El azufre y el azúcar colócalos cada uno en una cucharilla de combustión y caliéntalos con cuidado.

El cobre y el magnesio tómalos con las pinzas y caliéntalos directamente en el mechero.

Precaución

Al calentar el iodo, el magnesio y el azufre se producen gases tóxicos; no los inhales. Si sufres de algún accidente comunícalo al responsable del laboratorio.

Registro de observaciones

Anota lo que observaste en cada muestra.

Muestra Observaciones
1
2
3
4
5
6
7
8
9

Eliminación de desechos.

Arroja los residuos de las reacciones al bote de la basura para evitar la contaminación del ambiente.

Experimento III

Objetivo

Observar la acción de algunas sustancias en la cocción de verduras.

Hipótesis

Considera la siguiente pregunta para tu hipótesis. ¿Qué crees que pase cuando calientes los vasos?.

¿Qué necesitas?

Materiales Sustancias

  • 1 Espátula de acero inoxidable ☞ 5 mL de vinagre

  • 3 Vasos de precipitados ☞ 1g Bicarbonato de sodio

  • 1 Mechero Bunsen ☞ Agua

  • 1 Tripié ☞ 1 Calabacita mediana

  • 1 Tela de alambre con asbesto

  • 1 Probeta de 25 mL

  • 1 Probeta de 100 mL

  • 1 Pinzas para vaso

Prevención y seguridad

La indicada para el calentamiento con mechero.

¿Cómo hacerlo?

Coloca en tres vasos de precipitados, un pedazo de calabacita. Al primero, agrégale agua; al segundo, agua con vinagre y al tercero agua con bicarbonato de sodio.

Calienta los vasos durante 5 minutos y observa.

Agua con Agua y vinagre Agua y bicarbonato calabacitas con calabacitas con calabacitas

Figura 11

Registro de observaciones

Anota lo que observaste en cada vaso, tomando en cuenta el color y el grado de cocción.

Vaso 1 Vaso 2 Vaso 3

Eliminación de desechos

Al terminar el experimento, coloca todos los residuos de calabacita en el bote de la basura para evitar el taponamiento de las tarjas y la contaminación del ambiente.

Cuestionario de reflexión

1.- En el experimento I ¿cuál es la sustancia que provoca la combustión?. Explica tu respuesta.____________________________________________________________

2.- Clasifica los cambios observados en las diferentes sustancias de acuerdo con el efecto del calentamiento (experimento 2)___________________________________

3.- ¿Qué acción tiene el bicarbonato de sodio en las calabacitas? y ¿Qué efecto tiene el vinagre?_____________________________________________________________

4.- ¿Qué sucedería si los trozos de calabacita hubieran sido de diferente tamaño.?

Conclusiones

De acuerdo al cuestionario de reflexión y contrastando tus hipótesis con los resultados, elabora tus conclusiones.


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