Volver a la portadaCiencias Naturales · 2.° año de Educación Media General · Cambiar asignatura
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2do año · Ciencias Naturales
El cambio · Las leyes de las reacciones químicas

El modelo atómico-molecular

Cuando prendes la cocina con el gas doméstico, la bombona pierde gas y la llama desaparece al cerrarla, pero la materia no se "acaba": se convierte en otras sustancias. ¿Cómo puede cambiar todo sin que se pierda ni un solo gramo? La respuesta llegó con una idea: toda la materia está hecha de átomos, y en una reacción esos átomos no desaparecen, solo se reorganizan.

Átomos que se reagrupan

Al pasar corriente eléctrica por agua líquida se obtienen dos gases distintos, hidrógeno y oxígeno, y la masa de los dos gases juntos es igual a la del agua que se consumió. ¿Cómo puede una sustancia convertirse en otras totalmente distintas sin que sobre ni falte masa?

Según el modelo atómico-molecular, los elementos están formados por átomos, y estos se unen entre sí formando moléculas. En una reacción química se rompen unos enlaces y se forman otros, pero los átomos ni se crean ni se destruyen.

Animación de la electrólisis del agua: los átomos de la molécula de H₂O se separan, los dos H viajan juntos hasta formar H₂ y el O baja hasta unirse al O de una segunda molécula de agua (dibujado en tono pálido; sus dos H formarían otro H₂, que no se dibuja) para formar O₂. Conservan color y tamaño, y después todo vuelve al estado inicial. O H H H₂O antes electrólisis O O O₂ O pálido: de otra H₂O H H H₂ los mismos átomos de H

Fíjate en la diferencia con un cambio físico. Cuando el hielo de la cava se derrite o el agua del café hierve, las moléculas de $H_2O$ se separan o se mueven distinto, pero siguen intactas: por eso el vapor sigue siendo agua. En un cambio químico las moléculas sí se rompen y sus átomos forman moléculas nuevas.

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Completa 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…

Completa 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».

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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…

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.

el hielo se derrite el agua se descompone H₂ O₂

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

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Al hervir agua, las moléculas $H_2O$ se separan unas de otras, pero no se rompen. a) ¿Por qué el vapor sigue siendo agua? b) ¿Qué tendría que ocurrirles a las moléculas…

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?
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Modelos de esferas: elementos, compuestos y mezclas

Para "ver" lo que no se ve, los químicos usan modelos: esferas de colores (de plastilina, de icopor o dibujadas) que representan átomos, y palillos o líneas que representan los enlaces. Cada color es un elemento.

Modelo de esferas: un elemento (O₂), un compuesto (H₂O) y una mezcla de moléculas sueltas de N₂ y O₂ Elemento: O₂ un solo tipo de átomo Compuesto: H₂O átomos distintos unidos Mezcla: N₂ y O₂ moléculas sin unirse entre sí

Con este modelo, las diferencias se ven a simple vista:

Tipo Qué se ve en el modelo Ejemplo
Elemento Un solo color de esfera $O_2$, $H_2$, $N_2$
Compuesto Colores distintos unidos siempre igual $H_2O$, $CO_2$, $CH_4$
Mezcla Varias sustancias juntas, sin unirse aire: $N_2$ y $O_2$

El aire es una mezcla: sus moléculas están sueltas y se pueden separar. El agua es un compuesto: los átomos de H y O están unidos y no se separan con un método físico.

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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,…

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) Describe con bolas de este modelo la molécula de agua.
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Queremos construir un modelo de la molécula de agua con bolas de plastilina: usamos bolas rojas para los átomos de oxígeno y bolas blancas para los de hidrógeno. a)…

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

  1. a) ¿Cuántas bolas de cada color necesitas para una molécula de agua?
  2. b) Describe cómo estarían unidas las bolas.
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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…

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.

nitrógeno oxígeno hidrógeno aire agua

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

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Modelo de esferas de una reacción

Un modelo no solo sirve para una sustancia: también puede mostrar una reacción completa, con los átomos antes y después. Tomemos $2\ H_2 + O_2 \rightarrow 2\ H_2O$.

Modelo de esferas de la reacción 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O: antes, dos moléculas de hidrógeno y una de oxígeno; después, dos moléculas de agua con los mismos 4 átomos de H y 2 de O Antes: 4 H y 2 O Después: 4 H y 2 O

Este es el método para el modelo de cualquier reacción: arma los reactivos, desármalos y rearma los productos con las mismas bolitas. Si te sobra o te falta una, la ecuación no está balanceada.

Leer una fórmula química

Una fórmula como $H_2O$ es una receta exacta de qué átomos y cuántos forman la molécula.

Estructura de la molécula de agua que ilustra la interpretación de los subíndices químicos O H H H₂O: 2 átomos de H, 1 átomo de O, 3 en total

Los símbolos son letras que identifican cada elemento: $H$ (hidrógeno), $C$ (carbono), $N$ (nitrógeno), $O$ (oxígeno).

Dos moléculas de CO₂ iguales, cada una con un átomo de carbono central y dos de oxígeno a los lados: en total 2 átomos de C y 4 de O 2 CO₂ = dos moléculas iguales C O O CO₂ C O O CO₂ en total: 2 átomos de C, 4 de O
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La fórmula del agua es $H_2O$. La figura muestra su modelo de bolas. a) ¿Cuántos átomos de hidrógeno tiene una molécula de agua? b) ¿Cuántos átomos de oxígeno? c)…

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

O H H H₂O
  1. a) ¿Cuántos átomos de hidrógeno tiene una molécula de agua?
  2. b) ¿Cuántos átomos de oxígeno?
  3. c) ¿Cuántos átomos hay en total en la molécula?
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La fórmula del dióxido de carbono es $CO_2$. Indica qué elementos forman su molécula y cuántos átomos de cada elemento hay en ella.

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

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

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

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Cuenta con cuidado: a) ¿Cuántos átomos de hidrógeno y de oxígeno hay en $3\ H_2O$? b) ¿Cuántos átomos de carbono y de oxígeno hay en $5\ CO_2$?

Cuenta 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 $5\ CO_2$?
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La fórmula del amoníaco es $NH_3$. a) ¿Cuántos átomos hay en una molécula de amoníaco? b) ¿Cuántos átomos de cada elemento hay en $2\ NH_3$?

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 $2\ NH_3$?
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Átomos unidos y átomos sueltos

No es lo mismo escribir $O_2$ que $2\ O$, aunque ambos tengan dos átomos de oxígeno. La diferencia está en si están unidos formando una molécula o sueltos.

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

Observa la figura:

O O O₂ O O 2 O

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

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Ecuaciones químicas balanceadas

Una ecuación química es una frase con fórmulas: a la izquierda los reactivos, a la derecha los productos, y una flecha que significa "se transforman en". Para respetar la ley de conservación de la masa, debe estar balanceada. Esa ley la estableció el químico francés Antoine Lavoisier: pesó los reactivos y los productos en recipientes cerrados y comprobó que la masa total no cambiaba. Por eso la ecuación debe estar balanceada: el mismo número de átomos de cada elemento en ambos lados.

Mueve los coeficientes hasta que todos los elementos queden balanceados. Nunca se cambian los subíndices, solo los coeficientes.

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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…

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.

2 H₂ + O₂ 2 H₂O

Cuenta los átomos de hidrógeno y de oxígeno antes y después de la reacción. ¿Ha desaparecido algún átomo?

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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. Cuenta los átomos de cada…

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.

CH₄ + 2 O₂ CO₂ + 2 H₂O

Cuenta los átomos de cada elemento antes y después de la reacción y comprueba que se conservan.

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Explicar las leyes con átomos

Ahora ya podemos responder al gancho. Los átomos son los mismos antes y después de una reacción, y cada tipo de átomo tiene siempre la misma masa. Por eso la masa total no cambia.

Esto explica casos que parecen raros:

  • Magnesio al quemarse: la cinta de magnesio se une a átomos de oxígeno del aire, así que el óxido pesa más. Si pesaras también el oxígeno que participó, la masa total sería igual antes y después.

  • Óxido en una reja: en $4\ Fe + 3\ O_2 \rightarrow 2\ Fe_2O_3$ los átomos de oxígeno del aire se suman al hierro, y por eso una reja oxidada por la brisa marina de La Guaira pesa más.

  • Ceniza de una fogata: pesa menos porque parte de la materia salió como gases ($CO_2$, vapor de agua).

Volumen de gases y número de moléculas

En la electrólisis del agua, $2\ H_2O \rightarrow 2\ H_2 + O_2$, se recoge el doble de volumen de hidrógeno que de oxígeno. ¿Por qué? Porque volúmenes iguales de gases, a la misma temperatura y presión, contienen el mismo número de moléculas. Entonces el volumen es proporcional al número de moléculas: por cada molécula de $O_2$ se forman 2 de $H_2$, y por eso el volumen de hidrógeno es el doble.

Vuelve al principio: al quemar el gas de la bombona, los átomos de carbono e hidrógeno del gas se reagrupan con el oxígeno del aire y forman $CO_2$ y vapor de agua. No se perdió ningún átomo, así que la masa total se conserva aunque la bombona se vacíe.

Resumen

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