Ejercicios: El modelo atómico-molecular

Completá la frase con las palabras que faltan: «Según el modelo atómico-molecular, toda la materia está formada por $\dots$. Estos se agrupan formando $\dots$ y, en una reacción química, no desaparecen: solo se $\dots$ para dar sustancias nuevas».

La fórmula del agua es $H_2O$. La figura muestra su modelo de bolas.

1. a) ¿Cuántos átomos de hidrógeno tiene una molécula de agua?
2. b) ¿Cuántos átomos de oxígeno tiene?
3. c) ¿Cuántos átomos hay en total en la molécula?

La fórmula del dióxido de carbono es $CO_2$. Indicá qué elementos forman su molécula y cuántos átomos de cada elemento hay en ella.

Relacioná cada símbolo químico con su elemento: $H$, $O$, $C$ y $N$, con los nombres hidrógeno, carbono, nitrógeno y oxígeno.

Observá la figura:

Explicá la diferencia entre escribir $O_2$ y escribir $2\ O$: ¿cuántos átomos de oxígeno hay en cada caso y cómo están (unidos o sueltos)?

Queremos construir un modelo de la molécula de agua con bolitas de plastilina: usamos bolitas rojas para los átomos de oxígeno y bolitas blancas para los de hidrógeno.

1. a) ¿Cuántas bolitas de cada color necesitás para una molécula de agua?
2. b) Describí cómo estarían unidas las bolitas.

En la formación del agua, dos moléculas de hidrógeno ($2\ H_2$) reaccionan con una molécula de oxígeno ($O_2$) y se forman dos moléculas de agua ($2\ H_2O$), como muestra el esquema de partículas.

Contá los átomos de hidrógeno y de oxígeno antes y después de la reacción. ¿Desapareció algún átomo?

Cuando el hielo se derrite, las moléculas siguen siendo $H_2O$; cuando el agua se descompone con corriente eléctrica, aparecen $H_2$ y $O_2$. La figura muestra las partículas en los dos procesos.

Explicá con el modelo atómico-molecular cuál de los dos cambios es químico y por qué.

Contá con cuidado:

1. a) ¿Cuántos átomos de hidrógeno y de oxígeno hay en $3\ H_2O$?
2. b) ¿Cuántos átomos de carbono y de oxígeno hay en $5\ CO_2$?

La fórmula del amoníaco es $NH_3$.

1. a) ¿Cuántos átomos hay en una molécula de amoníaco?
2. b) ¿Cuántos átomos de cada elemento hay en $2\ NH_3$?

La combustión del metano se escribe así: $CH_4 + 2\ O_2 \rightarrow CO_2 + 2\ H_2O$. El esquema representa las moléculas antes y después.

Contá los átomos de cada elemento antes y después de la reacción y comprobá que se conservan.

En un modelo de bolas, las negras son átomos de carbono, las blancas de hidrógeno y las rojas de oxígeno. Una bola negra unida a cuatro blancas representa el metano, $CH_4$.

1. a) ¿Qué molécula representa una bola negra unida a dos rojas?
2. b) Describí con bolas de este modelo la molécula de agua.

En el aire, las moléculas de $N_2$ y de $O_2$ están sueltas y mezcladas; en el agua, los átomos de hidrógeno y de oxígeno están unidos formando moléculas $H_2O$, como muestra la figura.

Explicá con el modelo atómico-molecular la diferencia entre una mezcla y un compuesto.

Explicá, usando el modelo atómico-molecular, por qué la masa se conserva en una reacción química (ley de Lavoisier): ¿qué les ocurre a los átomos durante la reacción y qué pasa con su masa?

El agua es $H_2O$ y el agua oxigenada es $H_2O_2$. La figura muestra el modelo de ambas moléculas.

1. a) ¿Contienen los mismos elementos?
2. b) ¿Son la misma sustancia?
3. c) Relacioná tu respuesta con la ley de las proporciones definidas.

Al hervir agua, las moléculas $H_2O$ se separan unas de otras, pero no se rompen.

1. a) ¿Por qué el vapor sigue siendo agua?
2. b) ¿Qué tendría que ocurrirles a las moléculas para que el vapor dejara de ser agua?

La formación del agua se representa así: $2\ H_2 + O_2 \rightarrow 2\ H_2O$.

1. a) ¿Cuántas moléculas hay antes y después de la reacción?
2. b) ¿Cuántos átomos de cada tipo hay antes y después?
3. c) Usá el modelo atómico-molecular para justificar la ley de conservación de la masa.

Al quemar una cinta de magnesio en el aire, el óxido que se forma pesa más que la cinta original.

1. a) Explicá esta ganancia de masa con el modelo atómico-molecular.
2. b) Predecí qué pasaría con la masa total si pudiéramos pesar también todo el aire que participó en la reacción.

Al hacer pasar corriente eléctrica por el agua, esta se descompone: $2\ H_2O \rightarrow 2\ H_2 + O_2$. La figura muestra el aparato del experimento.

1. a) Contá los átomos de cada elemento antes y después.
2. b) En el experimento se recoge el doble de volumen de hidrógeno que de oxígeno: relacionalo con el número de moléculas de cada gas que se forma.
3. c) ¿Se conserva la masa en esta descomposición? Justificalo.

La síntesis industrial del amoníaco se escribe: $N_2 + 3\ H_2 \rightarrow 2\ NH_3$.

1. a) Diseñá un modelo con bolitas (elegí un color para cada elemento) que represente esta reacción, antes y después.
2. b) Comprobá, contando átomos en tu modelo, que se respeta la conservación de la masa.
3. c) ¿Cuántas moléculas de amoníaco se forman por cada molécula de nitrógeno?

Un alumno escribe en su cuaderno la combustión del metano así: $CH_4 + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O$.

1. a) Contá los átomos de cada elemento a los dos lados de la flecha.
2. b) ¿Respeta su esquema la ley de conservación de la masa?
3. c) Corregí la escritura para que los átomos cuadren y explicá qué cambiaste.

La formación del óxido de hierro puede escribirse: $4\ Fe + 3\ O_2 \rightarrow 2\ Fe_2O_3$. El esquema representa los átomos antes y después.

1. a) Contá los átomos de hierro y de oxígeno antes y después.
2. b) Un viejo portón de hierro muy oxidado pesa más que cuando era nuevo: explicalo con el modelo atómico-molecular.
3. c) ¿De dónde salieron los átomos que hacen aumentar su masa?

En un recipiente cerrado hay $10$ moléculas de $H_2$ y $10$ moléculas de $O_2$, y se produce la reacción $2\ H_2 + O_2 \rightarrow 2\ H_2O$. La figura muestra el recipiente antes de la reacción.

1. a) ¿Cuántas moléculas de agua se forman?
2. b) ¿Sobran moléculas de algún gas? ¿Cuántas y de cuál?
3. c) Relacioná el resultado con la ley de las proporciones definidas.

El modelo atómico-molecular permite explicar las dos leyes de las reacciones químicas que estudiaste.

1. a) Explicá con el modelo la ley de conservación de la masa: ¿por qué no cambia la masa si los átomos no desaparecen y cada tipo de átomo tiene siempre la misma masa?
2. b) Explicá con el modelo la ley de las proporciones definidas: ¿por qué un compuesto tiene siempre la misma proporción en masa si su fórmula es siempre la misma?

Reto del tema. ¿Desaparece la masa al formarse un gas? Vas a comprobar en tu cocina las leyes que dieron origen a la química moderna utilizando vinagre, bicarbonato y una balanza casera de precisión (incertidumbre $\pm 0,1\text{ g}$).

1. Conservación de la masa (Lavoisier): Pesá una botella con $50\text{ mL}$ de vinagre y un globo sujeto al cuello que contenga $2\text{ g}$ de bicarbonato, sin mezclar todavía. Volcá el sólido en el líquido dentro del sistema cerrado y volvé a medir. Repetí el proceso en un vaso abierto.

2. Proporciones definidas (Proust): En tres vasos abiertos con $50\text{ mL}$ de vinagre cada uno, agregá $2\text{ g}$, $4\text{ g}$ y $8\text{ g}$ de bicarbonato. Medí la masa inicial y final en cada ensayo, calculá la masa de gas $\text{CO}_2$ perdido ($\Delta m = m_{\text{inicial}} - m_{\text{final}}$) y construí una tabla y un gráfico de $\Delta m$ en función de la masa de bicarbonato.

3. Modelo atómico y producto final: Elaborá un informe breve donde justifiques el gráfico identificando el reactivo limitante (Proust) e ilustres, mediante un esquema de esferas (Dalton), cómo se reorganizan los enlaces atómicos para explicar por qué los átomos se conservan.

Se valorará:

• Rigor en el registro experimental casero, expresión de incertidumbres y trazado del gráfico.

• Justificación coherente de las leyes de Lavoisier y Proust a partir de tus resultados.

• Uso correcto del modelo atómico-molecular para explicar la conservación y el reordenamiento de partículas.