Title: Unidad 1
Course: Química Plus + 3 BGU

¿Cómo piensan y trabajan los científicos?

¿Cómo piensan y trabajan los científicos?

“Podemos discutir hasta el infinito si los delfines, los chimpancés y otros animales tienen o no capacidad para razonar. Se les puede enseñar a hacer trucos, a resolver enigmas y, hasta cierto punto, a hablar. Una cosa es cierta, sin embargo: solo los seres humanos hacen preguntas. La nuestra es la única especie de la Tierra que al contemplar el esplendor de los cielos quiere saber por qué” (Glashow, 2000, pág. 41).

Desde nuestros primeros pasos estamos expuestos a todo aquello que puede llamar la atención de nuestros sentidos; nuestra natural curiosidad nos hace preguntarnos ¿por qué? Para la especie humana las ciencias han significado por múltiples ocasiones la oportunidad de dar respuesta al eterno por qué de las cosas.

¿Qué es la ciencia?

La palabra ciencia viene del latín scientia, que significa "conocer".

Se define a la ciencia como un “conjunto de conocimientos obtenidos mediante la observación y el razonamiento, sistemáticamente estructurados y de los que se deducen principios y leyes generales con capacidad predictiva y comprobables experimentalmente” (Real Academia Española, 2014).

El objeto de estudio de una ciencia es la que la define; así, la Biología estudia la vida, la Química estudia la materia, la Física estudia los fenómenos físicos, la Cosmología estudia el cosmos, etc. A este tipo de ciencias, cuyo objeto de estudio es tangible, se las denomina ciencias fácticas o experimentales.

Las ciencias representan nuestra verdadera herencia humana; en ellas se resume y se transmite de generación en generación el intento de todas las individualidades por alcanzar a comprender el todo; en ellas se manifiesta el genio humano en una síntesis a la que se denomina conocimiento científico.

Los científicos son las personas que producen conocimiento científico a través de la investigación y el uso del denominado método científico.

El método científico

Existen varias definiciones de método científico; sin embargo, podemos decir que es:

Un procedimiento con pasos claramente establecidos, mediante el cual podemos alcanzar un conocimiento objetivo de la realidad y responder preguntas planteadas previamente.

El método científico es riguroso en su sistematización, aplicable a lo general y particular, es flexible y perfectible sin ser laxo, su punto de partida se basa en conocimientos previos, su comprobación o posterior reelaboración.

Etapas del método científico

El método científico consta de las siguientes etapas:

Nuestra curiosidad y el intento por responder el porqué de las cosas han hecho que el ser humano sistematice sus procedimientos en la búsqueda de la verdad. Para describir cómo se aplican las etapas del método científico, tomaremos como ejemplo el trabajo del químico francés Louis Joseph Proust (1754-1826)

La observación

El inicio de toda investigación parte en la observación.

La observación es la examinación de los fenómenos que se dan a nuestro alrededor o dentro de nosotros y que podemos percibirlos con nuestros sentidos.

En ocasiones, nuestros cinco sentidos no han sido suficientes para examinar los fenómenos, por lo cual el ser humano ha inventado aparatos para observarlos; ejemplo de ellos son los microscopios y telescopios, que aumentan el límite de la visión humana; los contadores Geiger, que miden la radiactividad; los equipos de resonancia magnética, que permiten detectar estructuras atómicas diminutas; entre otros. Al aumentar nuestra escala de percepción del universo que nos rodea, siempre se nos plantean nuevas interrogantes.

Proust y la ley de las proporciones definidas

A inicios del siglo XIX, los científicos no tenían claro los conceptos de átomo y de molécula. Por aquella época solo se había descifrado la existencia de sustancias elementales y sustancias compuestas. Aún existían varios científicos que confundían las sustancias compuestas y las clasificaban como mezclas.

Después de que el químico alemán Jeremias Benjamin Richter (1762-1807) publicara los resultados de sus experimentos realizados con diversas reacciones de neutralización –por medio de los cuales pudo observar que una determinada cantidad de un ácido reaccionaba con una determinada cantidad de una base– y estableciera los pesos equivalentes en las reacciones químicas, Louis Proust (Francia, 1724-1856) y Claude Louis Berthollet (Francia, 1748-1822) extendieron esta idea a la estructura de las sustancias compuestas.

Proust era un científico experto en química analítica que observó que las distintas muestras de un determinado compuesto, sin importar su procedencia, siempre presentaban las mismas características químicas.

Las observaciones de Proust lo llevaron a plantearse estas preguntas:

▲  Joseph Louis Proust.

- ¿En qué medida los elementos que conforman una sustancia compuesta se hallan presentes en una proporción determinada?
- ¿Es posible que una sustancia compuesta presente siempre la misma composición cuantitativa de sus elementos?

La hipótesis

Después de observar, se plantean inquietudes y preguntas sobre por qué el fenómeno presenta determinadas  características o manifestaciones. El investigador intenta dar una explicación. Las preguntas que ha originado el fenómeno observado son, por el momento, respondidas a través de la formulación de hipótesis.

Las hipótesis son ideas o suposiciones que tratan de explicar las causas del fenómeno observado.

La hipótesis que se plantea el investigador es siempre una suposición; la labor investigativa girará alrededor de ella para determinar si es verdadera o es falsa.

Proust y Berthollet pensaban de forma contraria: Berthollet proponía que las proporciones en las que se combinan los elementos que forman un compuesto no eran fijas y que dependían de las condiciones en que se las sintetizaba.

Proust, por su parte, sospechaba que en las sustancias compuestas los elementos guardaban una relación definida al combinarse; por lo tanto, el compuesto debía presentar una proporción fija en su composición, y además la cantidad y presencia de cada elemento que lo conformaba siempre sería la misma. Proust intuía que no era importante el origen del compuesto. Sea producido por la naturaleza u obtenido en laboratorio, el compuesto siempre presentaría la misma proporcionalidad entre los elementos que lo conforman.

Esta idea de Proust venía desarrollándose ya hace tiempo debido a su amplia experiencia como químico y especialista en el análisis de minerales provenientes de diferentes partes del mundo.

Las hipótesis de Proust

- Los elementos en una determinada sustancia compuesta se hallan siempre en la misma proporción.
- Cada compuesto siempre presenta una proporción fija entre sus elementos.

▲ Joseph Louis Proust fue uno de los más importantes analistas químicos de su época.

La experimentación

En las ciencias experimentales Química, Biología, Física, Astrofísica, Cosmología, Física de partículas y Cromodinámica, la experimentación consta de partes importantes:

El diseño del experimento, que permitirá dar un seguimiento sistematizado y controlado de lo que ocurre con el fenómeno observado.

La medición de las variables que presenta el fenómeno, cuyo producto es la generación de datos cuantificados que son recolectados en tablas, representados en gráficos y esquemas para luego ser analizados.

Los experimentos deben ser factibles de reproducción, para volver a ser comprobados y verificados por otras personas si es necesario, en cualquier tiempo y lugar.

▲ El laboratorio en donde Proust realizaba sus experimentos.

Para comprobar su hipótesis, Proust realizó innumerables experimentos con diversas muestras de compuestos. Fue una ventaja para él que la Corona española lo contratara para dirigir la cátedra de Química al igual que la implementación de laboratorios en Vergara, Segovia y Madrid. Proust manifestó: "la Química es una ciencia experimental cuyo estudio no puede ser satisfecho a través de un puro razonamiento y que tiene la ventaja de no aceptar nada que no se aprenda a través del experimento" (López, 2017).

El diseño experimental de Proust consistió en analizar cualitativa y cuantitativamente diversas muestras de sustancias compuestas, provenientes de múltiples yacimientos minerales. Las muestras debían ser sometidas a rigurosos tratamientos de purificación.

En la medición, Proust pesó varias muestras de los minerales. Para disminuir el error en los resultados, la cantidad de muestras que hacía reaccionar era bastante grande. Las unidades de medida que utilizaba Proust eran las libras y los gramos.

La cuantificación del fenómeno

“Estoy de acuerdo con Lord Kelvin cuando dice: ‘Cuando podemos cuantificar lo que decimos y expresarlo numéricamente, sabemos algo al respecto. Cuando no lo expresamos por medio de números, nuestro conocimiento se nos antoja insuficiente e insatisfactorio. Quizá podríamos hablar entonces de rudimentos, pero habremos avanzado muy poco hacia lo que consideramos ciencia’” (Glashow, 2000, pág. 211).

▲ Placa en honor a la labor docente de Proust en el Colegio de Artillería en Segovia, España.

Las conclusiones

Las conclusiones surgen del análisis de los datos y son cotejadas con las hipótesis. En las conclusiones se confirman o se niegan las hipótesis.

Una hipótesis es la “Idea a la que se llega después de considerar una serie de datos o circunstancias” (Real Academia Española, 2014).

Las conclusiones de un trabajo científico son analizadas en la comunidad de científicos especializados. La repetida validez de una hipótesis hace que se la acepte como una teoría, y si esta es confirmada de forma absoluta, se le otorga la calidad de ley.

 ▲ Proustita, mineral nombrado en honor a
Proust por sus contribuciones a la mineralogía

Luego de que Proust publicara los resultados de sus experimentos, Bethollet aún se encontraba renuente a aceptar que la composición de las sustancias era invariable, argumentando que “en casos concretos, como en el hierro, estaño y cobre, podían darse combinaciones con el oxígeno y azufre, y sus proporciones podían ser variadísimas” (López, 2017, p. 20).

Los resultados de Proust demostraron que ciertos elementos podían combinarse con diferentes estados de oxidación, pero que los diversos compuestos formados conservaban la proporción definida en su composición.

Durante años, Proust continuó demostrando la veracidad de sus hipótesis, hasta que finalmente el peso de las evidencias hizo que se aceptara como ley química. Al final de todas las discusiones científicas, Proust y Bethollet terminaron como amigos personales.

La conclusión de Proust:

“Estas proporciones (con las que se combinaban los cuerpos) no son casuales, pues se verifican siempre constantemente del mismo modo, por haberlo decretado así la Naturaleza, sin quebrantar nunca ella misma sus leyes. De esto se infiere que la Naturaleza asiste a las operaciones que hacemos en nuestros laboratorios. Concluyamos por tanto que los cuerpos se sujetan en sus combinaciones a unas proporciones invariables” (Madrid, 2017).

La teoría: En un compuesto químico, los elementos se presentan en proporciones definidas.

La ley: “Los elementos se combinan para formar compuestos, y siempre lo hacen en proporciones fijas y definidas”.

 ▲ Portada de la publicación de Proust, en donde explica la proporción definida de los compuestos.

La química del carbono

Han pasado casi dos siglos desde que el químico sueco Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) dividiera la Química en Inorgánica y Orgánica.

Desde sus inicios, a la Química Orgánica se le asoció con los seres vivos, y es algo complicado para las personas aceptar que las leyes que rigen a la materia no hacen distinción entre lo vivo y lo inerte, es por este motivo que la Química Orgánica o Química del Carbono es una de las ciencias más nuevas.

En esta unidad estudiaremos en qué medida la estructura del átomo de carbono permite originar más de 16 millones de compuestos orgánicos conocidos.

1. O.CN.Q.5.1. Reconocer la importancia de la Química dentro de la ciencia y su impacto en la sociedad industrial y tecnológica, para promover y fomentar el Buen Vivir asumiendo responsabilidad social.

2. O.CN.Q.5.3. Interpretar la estructura atómica y molecular, desarrollar configuraciones electrónicas y explicar su valor predictivo en el estudio de las propiedades químicas de los elementos y compuestos, impulsando un trabajo colaborativo, ético y honesto.

3. O.CN.Q.5.11. Evaluar, interpretar y sintetizar datos e información sobre las propiedades físicas y las características estructurales de los compuestos químicos para construir nuestra identidad y cultura de investigación científica.

El ingeniero en petróleos

El ingeniero en petróleos es un profesional capaz de planificar y dirigir acciones de prospección, perforación, extracción de yacimientos petroleros, al igual que diseñar estructuras eficientes para almacenamiento y transporte y refinación. Sus competencias le permiten evaluar la presencia de reservas hidrocarburíferas, tanto en territorios continentales como en marinos.

El ingeniero en petróleos está preparado de forma ética para la aplicación y práctica de normas de gestión ambiental, por lo cual puede brindar asesoramiento técnico.

Por su preparación está en capacidad de participar en investigación, comercialización y negociación en el campo petrolero.

Algunas universidades que ofertan esta carrera son: Universidad Central del Ecuador, Universidad Estatal de la Península de Santa Elena, Escuela Politécnica del Litoral y Universidad Técnica Equinoccial.

Puedes encontrar mayor información en el siguiente enlace:
http://www.upse.edu.ec/index.php/ciencias-de-la-ingenieria/ingenieria-en-petroleos

Los compuestos orgánicos y la ciencia

● Los compuestos orgánicos y la ciencia

Saberes previos

Nombra algunos ejemplos de lo que consideras sustancias orgánicas.

Desequilibrio cognitivo

¿Qué es aquello que
separa el mundo inorgánico
del orgánico?

El vitalismo

Para finales del siglo XVIII, los científicos que estudiaban el comportamiento de las sustancias químicas diferenciaban dos grupos de sustancias:

Clasificación de las sustancias según el vitalismo
Las sustancias inorgánicas | Las sustancias orgánicas
Eran sustancias que se encontraban en la naturaleza y no requerían, para su formación, de los seres vivos. | Eran sustancias que se sintetizaban en los seres vivos y que era imposible obtenerlas a partir de sustancias inorgánicas y en el laboratorio.

^Fuente: Maya Ediciones, 2021

El vitalismo se sostenía en la Teoría de la fuerza vital; hasta inicios del siglo XIX, los vitalistas aseguraban que los compuestos orgánicos, como el azúcar, aceite, alcohol, urea y otros, solamente podían ser sintetizados en el interior de los seres vivos debido a que estos poseían una fuerza vital que no estaba presente en los seres inertes. Hasta esa época, todos los compuestos orgánicos que se obtenían procedían de los seres vivos. El químico sueco Jöns Berzelius (1779-1848) nombró a estos compuestos como orgánicos, y a la ciencia que los estudiaba como Química Orgánica.

▲ Juan Jabobo Berzelius (Suecia, 1779-1848)

▲ Urea.

La clasificación de las sustancias en función de la fuerza vital fue derrumbada por el químico alemán Friedrich Wöhler (1800-1829), uno de los aprendices de Berzelius, quien a partir de los resultados de sus experimentos abriría la puerta para la síntesis artificial (sin intervención de los seres vivos), de todas las sustancias orgánicas.

Wöhler y la urea

En 1828, Wöhler, mientras calentaba cianato de amonio (NH_4OCN) en medio acuoso, obtuvo un compuesto que luego de varios análisis resultó ser la urea. Wöhler logró lo que nadie había logrado hasta ese momento: sintetizar un compuesto orgánico a partir de sustancias inorgánicas en el laboratorio.

“El cianato amónico, una sustancia inorgánica, se había transformado en urea, que era un conocido compuesto orgánico. Wöhler había hecho algo que Berzelius tenía por imposible: obtener una sustancia orgánica a partir de otra inorgánica con sólo calentarla” (Asimov, 2011, pág. 103).

La Química del carbono

Luego de la síntesis de Wöhler, muchos científicos se interesaron en sintetizar compuestos orgánicos a partir de sustancias inorgánicas; la Teoría de la fuerza vital ya no imponía un límite para descubrir y sintetizar infinidad de compuestos. Sin embargo, en la actualidad aún se conserva el nombre de “orgánico” para aquellos compuestos que tienen como base estructural los átomos de carbono.

A la disciplina que estudia los compuestos que forma el carbono se la denomina Química Orgánica o Química del Carbono.

Presencia del carbono en la naturaleza

El químico Berzelius es quien identificó que todas las sustancias orgánicas estaban compuestas por carbono.

El carbono es un elemento no metálico, que se ubica en la familia 14 de la tabla periódica. En la naturaleza se lo puede encontrar de varias formas alotrópicas:

Interdisciplinariedad

Química y Ecología

En los ecosistemas es de suma importancia el ciclo del carbono; la mayor parte del carbono es captado por los seres autótrofos directamente de la atmósfera.

El 0,025% de la corteza terrestre está conformada por carbono. El carbono se halla en el 0,033% de la atmósfera como parte del dióxido de carbono.

El carbono forma parte de los suelos, donde existe principalmente en forma de carbonatos como la caliza, y varios minerales cristalinos como la dolomita, mármol, grafito y diamante. Se lo encuentra en el subsuelo y bajo la plataforma marina, como gas natural y petróleo.

El carbono, además, es uno de los principales constituyentes de la biomasa del planeta.

Este elemento también existe en sustancias producidas por acción antrópica como el negro de humo, carbón vegetal, hollín y carbono coloidal (humo negro de los automóviles o de combustiones incompletas).

El átomo de carbono

El carbono es uno de los elementos más conocidos por la humanidad; en la tabla periódica encabeza la familia 14, antiguamente llamada familia de los carbonoides o IV A. Su símbolo es C, número atómico Z = 6 y de masa atómica 12,01 uma.

El átomo de carbono presenta valencia 4; al combinarse puede adquirir varios estados de oxidación.

4– | 2+ | 4+
En combinación con metales. | En combinación con el oxígeno. | En combinación con el oxígeno y los no metales.

Los estados de oxidación y la valencia que presenta el carbono hacen que los átomos presenten una gran capacidad de combinación con otros, puede enlazarse consigo mismo y formar largas cadenas que dan como resultado millones de estructuras diferentes.

TIC

Ingresa en el siguiente enlace y trabaja con el simulador de medida de dureza. Compara la dureza del carbono en sus diferentes presentaciones y comenta con tus compañeros.

www.mayedu.ec/quim3/p20

Configuración electrónica del carbono

El átomo de carbono presenta seis electrones distribuidos en dos niveles de energía, cuatro electrones corresponden a los electrones de valencia.

En los siguientes diagramas podemos observar dos configuraciones electrónicas del átomo de carbono; la primera cuando el átomo se halla sin formar enlaces, y la segunda cuando el átomo de carbono ha formado enlaces químicos.

1s^2 2s^2 2p^2 | ↓↑
Configuración en estado basal | 1s
↓↑ | ↓ | ↓ |
2s | 2p_x | 2p_y | 2p_z
e^– de valencia
1s^2 2s^2 2p^2 | ↓↑
Configuración en estado excitado | 1s
↓ | ↓ | ↓ | ↓
2s | 2p_x | 2p_y | 2p_z
e^– de valencia

La migración de un electrón de valencia del orbital 2s al orbital 2p_z, supone para el carbono una hibridación de enlaces y como resultado presenta cuatro enlaces idénticos, lo que le confiere al átomo de carbono su característica estructura de un tetraedro regular.

▲ Estructura tetraédrica del carbono. a) modelo geométrico; b) modelo de enlaces; c) modelo 3D; d) fórmula 3D de los enlaces.

Laboratorio casero

En una hoja de cartulina, grafica un triángulo de 15 cm de lado, divide el triángulo en 4 triángulos iguales.

Dobla todas las divisiones y arma el tetraedro regular del carbono. Pega esta estructura armable en tu cuaderno de asignatura.

El carbono y los enlaces químicos

● El carbono y los enlaces químicos

Saberes previos

Imagina un compuesto orgánico como la leche.
¿Qué características la hacen orgánica?

Desequilibrio cognitivo

¿A qué se debe que el átomo de carbono, pueda presentar enlaces simples, dobles y triples, con otros átomos de carbono?

En los compuestos orgánicos el carbono puede presentarse con los siguientes enlaces covalentes:

Para comprender los enlaces que forma el carbono, se debe entender qué es lo que sucede con los orbitales atómicos donde se hallan sus cuatro electrones de valencia.

Problema resuelto y propuesto

Establece cuántos enlaces simples, dobles y triples conforman las siguientes moléculas orgánicas:

4 enlaces simples, 1 enlace doble, 0 enlaces triples.

Hibridación de orbitales atómicos

Se denomina hibridación a la deformación que sufren los orbitales s y p, dando como resultado un nuevo tipo de orbital denominado híbrido. El carbono presenta tres tipos de hibridación en sus orbitales:

- Hibridación tetragonal sp^3. Debido a la migración de un electrón del orbital 2s al orbital 2p_z, el carbono puede formar cuatro enlaces covalentes, se esperaría que el orbital s sea diferente a los otros tres orbitales p, sin embargo, los análisis muestran que los cuatro orbitales son idénticos. La hibridación tetragonal se produce por la combinación de un orbital s y tres orbitales p. El ángulo que se forma entre los orbitales es de 109,5°. Este tipo de hibridación es característico de las moléculas que forma el carbono con elementos monovalentes como el hidrógeno o los halógenos, por ejemplo el metano.

           ▲ Orbitales sp^3.

TIC

Ingresa en el siguiente enlace y observa el funcionamiento de orbitales híbridos.

www.mayedu.ec/quim3/p23

- Hibridación trigonal sp^2. Se produce por la combinación de un orbital s y los dos orbitales p_x y p_y. El tercer orbital p_z, no sufre hibridación. Los tres orbitales híbridos están a una distancia de 120° y forman un plano en ángulo recto con el orbital p_z no hibridado. Este conjunto de orbitales es característico de compuestos donde el carbono presenta doble enlace.

▲ Modelo de hibridación sp^2 del carbono con tres orbitales hídricos sp^2 y un orbital puro p. | ▲ Molécula de etileno: doble enlace carbono–carbono. Traslado de orbitales p genera enlace: sobre y bajo el plano.

Problema resuelto y propuesto

En las siguientes moléculas determina la ubicación y número de enlaces pi y sigma.

a) etanal

Enlaces

4 enlaces sigma entre el carbono y el hidrógeno, 1 enlace sigma entre carbono y carbono; 1 enlace pi en el doble enlace oxígeno y carbono.

b)

Enlaces

______________
______________
______________
______________
​______________

- Hibridación digonal sp. Se produce por la combinación de un orbital s y el orbital p_x, los orbitales p_y y p_z no se hibridan. El ángulo que se forma entre los dos orbitales es de 180°. La hibridación sp se la puede encontrar en compuestos orgánicos donde el carbono forma enlaces triples.

▲ Modelo de hibridación sp de carbono con dos orbitales hídricos sp y 2 orbitales p puros. | ▲ Molécula de acetileno: triple enlace carbono–carbono. Traslado de orbitales py y pz genera dos enlaces π.

Orbitales moleculares

Cuando los orbitales híbridos de un átomo como el carbono forman enlaces con otros átomos, se pueden formar los orbitales moleculares o enlaces sigma (σ) y pi (π).

Enlace sigma (σ) | Enlace pi (π)
Se presenta cuando el enlace ha sido formado por orbitales híbridos sp^3; es característico de los enlaces simples del carbono; los átomos que lo conforman poseen libre rotación alrededor del eje que forma el enlace. | Se presenta en los dobles y triples enlaces que forma el carbono, en donde uno de los enlaces es sigma y los otros son pi. Los átomos que participan de estos enlaces no tienen libre rotación.

Propiedades de compuestos covalentes

Los compuestos orgánicos presentan varias propiedades generales que los hacen claramente diferentes a los compuestos inorgánicos:

Diferencias | Orgánicos | Inorgánicos
Composición | Se componen básicamente de carbono e hidrógeno. En menor proporción: oxígeno y nitrógeno. | Cada compuesto puede estar formado por una diversidad de elementos.
Estructura de la molécula | Forman isómeros. | No forman isómeros.
Forman cadenas de carbono enlazantes. | No forman cadenas.
Reactividad química | Combustionan. | No combustionan.
Se descomponen fácilmente en presencia del calor. | Presentan bastante resistencia al calor.
Sin catalizadores, requieren de largos periodos de tiempo para su formación. | Requieren de cortos periodos de tiempo para su formación.
 | Reacciones de síntesis, son endotérmicas. | Reacciones de síntesis, son exotérmicas.
Enlaces | Presentan enlace covalente no polar, o con bajas polaridades. | Presentan enlaces iónicos o claramente polares.
Solubilidad | Se disuelven en solventes orgánicos. | Se disuelven en agua y en solventes inorgánicos.
No se ionizan en solución acuosa, o su ionización es muy baja. | Se ionizan en soluciones acuosas.
No son electrolitos, o son electrolitos débiles. | Son electrolitos fuertes.
Forman ácidos y bases débiles. | Forman ácidos y bases fuertes.
Fuerzas intermoleculares dominantes | Fuerzas de Van der Waals. | Fuerzas electrostáticas.
Punto de fusión y ebullición | Bajos. | Altos.
Estado de agregación | No se cristalizan. | Pueden formar cristales perfectos.
Cambian de estado a bajas temperaturas. | Requieren altas temperaturas para cambiar de estado.
Forman vapores. | Forman gases.
Se condensan. | Se licúan.

La presencia de enlaces covalentes en las estructuras moleculares determina claramente las propiedades de los compuestos orgánicos.

Estrategias para resolver problemas

Para resolver un problema, una estrategia eficaz es buscar las conexiones que existen entre los datos y la incógnita.

Problema resuelto y propuesto

Lee las características de las sustancias y clasifícalas como orgánicas o inorgánicas.

a) La parafina es la cera con la que se fabrican las velas; al combustionarse produce dióxido de carbono y hollín; es insoluble en agua y no se cristaliza.

Clasificación
Sustancia orgánica

b) El agua contiene dos enlaces covalentes polares. Presenta un pH neutro, no se combustiona y no se descompone con el calor. Su síntesis a partir de los elementos es una reacción exotérmica.

Clasificación

Las reacciones químicas y sus ecuaciones: composición y notación de compuestos químicos

● Las reacciones químicas y sus ecuaciones: composición y notación de compuestos químicos

Saberes previos

¿Por qué es importante conocer la composición de una sustancia?, ¿qué ocurre si se desconoce?

Desequilibrio cognitivo

¿Puede reconocerse a un compuesto orgánico solo con su fórmula molecular?

Cuando se quiere notar un compuesto químico, no es suficiente con conocer su fórmula estequiométrica o molecular, hace falta determinar cómo los átomos se encuentran ubicados en la molécula orgánica. Para el análisis cualitativo, cuantitativo y las propiedades físico-químicas de las sustancias orgánicas es necesario determinar la fórmula mínima, molecular y estructural.

Fórmulas químicas empleadas en los compuestos orgánicos

Los compuestos orgánicos requieren de todas los fórmulas que permitan describir su complejidad. Tomaremos como ejemplo el ciclobutino.

Fórmulas químicas empleadas en los compuestos orgánicos

Problema resuelto

a) Establece la fórmula semidesarrollada, molecular y mínima del siguiente compuesto:

b) Establece la fórmula desarrollada, semidesarrollada y mínima del etano C_2H_6.

Diferencias | Utilidad
Empírica o mínima CH | Establece la proporción en la que se hallan los elementos químicos que componen la sustancia. Ejemplo: la proporción de carbono e hidrógeno en el ciclobutino es 1:1.
Molecular o estequiométrica C _4H_4 | Indica cuántos átomos de cada elemento forman la molécula. Ejemplo: el butino está formado por 4 átomos de carbono y 4 de hidrógeno.
Estructural | Indica los enlaces y la ubicación de los átomos en la molécula. En Química Orgánica se utilizan distintas fórmulas estructurales:
● Desarrollada | Indica todos los enlaces y la posición de los átomos que conforman la molécula.
● Semidesarrollada | Indica los enlaces que se forman entre átomos centrales o enlazantes. Junta grupos de átomos unidos a átomos centrales.
● Esqueleto | Indica la forma geométrica de la molécula y los enlaces. Cada esquina corresponde a un C unido al número de H requeridos.
Electrónica o Lewis | Muestra los pares electrónicos y el cumplimiento de la Regla del Octeto en los enlaces.

Análisis químico de los compuestos orgánicos

La fórmula química de una sustancia orgánica se establece a partir de los resultados que se obtienen del análisis elemental cualitativo y cuantitativo.

Análisis químico cualitativo | Análisis químico cuantitativo
Son conjuntos de procedimientos y técnicas establecidas en la Química que permiten identificar los elementos que componen una sustancia. | Son los procedimientos que permiten determinar la proporción en la que aparecen los elementos en una sustancia.

Análisis cualitativo de compuestos orgánicos

En Química Orgánica existen varios procedimientos para determinar experimentalmente los componentes de las sustancias. Sin embargo, una de las técnicas más empleadas es la calcinación de las sustancias.

Análisis preliminar cualitativo

Este tipo de análisis permite determinar si una sustancia es o no inflamable. Desde antes se sabía que las sustancias orgánicas pueden inflamarse; anterior a la síntesis de Wöhler a esta propiedad se la llamaba flogisto; ahora sabemos que los compuestos orgánicos se combustionan produciendo principalmente dióxido de carbono y vapor de agua.

Elemento | Análisis preliminar
Carbono | La inflamación de una sustancia orgánica dará como producto la formación de dióxido de carbono; también puede producirse monóxido de carbono, carbono coloidal, hollín y ceniza.
Nitrógeno | Cuando una sustancia orgánica contiene nitrógeno, al inflamarse producirá óxidos de nitrógeno con su característico olor a pelo quemado.
Hidrógeno | La inflamación de una sustancia orgánica producirá vapor de agua por la presencia de átomos de hidrógeno en las moléculas.
Oxígeno | La determinación de oxígeno no se la hace a través de técnicas de laboratorio, sino por el cálculo de la diferencia que existe entre el oxígeno presente en los óxidos y el vapor de agua formados, y el oxígeno que se utilizó para la calcinación.

Luego del análisis preliminar se utilizan técnicas especializadas para medir con precisión la cantidad en la que cada elemento se halla en el compuesto. La técnica más empleada para analizar el carbono y el hidrógeno es el método de Liebig, que consiste en calcinar la muestra orgánica en un tubo junto con óxido de cobre. El carbono se mostrará al reducir al cobre y formar dióxido de carbono, que luego reaccionará con los hidróxidos de calcio o bario para precipitar como carbonato.  El hidrógeno formará vapor de agua y dotará al sulfato de cobre anhidro de un tono celeste.

Laboratorio casero

Calcina un poco de azúcar y un poco de clara de huevo, identifica en cuál de las dos sustancias existe nitrógeno.

Análisis cuantitativo: composición porcentual

Uno de los fines del análisis cuantitativo es determinar las proporciones en las que los elementos se hallan en la sustancia para poder establecer su fórmula. Este cálculo se inicia con la concentración porcentual de los elementos que componen una especie química.

Problema resuelto

Luego del análisis cualitativo de 2,17 g de una sustancia orgánica se han obtenido los siguientes resultados: 6,76 g CO_2; 2,79 g de H_2O. Con estos valores determinar la composición porcentual del compuesto.

Datos | Resolución
m_muestra: 2,17 g

m_CO_2: 6,76 g

m_H_2_O: 2,79 g

Masas molares

CO_2: 44 g/mol

H_2O: 18 g/mol
Paso 1: Establecer la cantidad de carbonocontenido en el CO_2 obtenido.

Paso 2: Establecer la cantidad de hidrógeno contenido en el H_2O obtenida.

Paso 3: calcular la composición porcentual.

Problema propuesto

Se calcinan 50 g de una sustancia orgánica y se obtienen 30 g de H_2O y 73,35 g de CO_2. Se sabe que la masa molar de la sustancia es 180 g/mol. Con estos datos, determina la fórmula empírica y molecular de la sustancia.

Pasos para obtener la fórmula empírica y molecular

Conociendo los porcentajes de composición y la masa molar de una sustancia orgánica, se puede llegar a obtener las fórmulas del compuesto.

Problema resuelto

La composición porcentual de una sustancia orgánica, obtenida luego de su análisis, es: carbono 40%,hidrógeno 6,73%, oxígeno 53,27%, y su masa molar es 60 g/mol. Determina la fórmula empírica y molecular.

Paso 1: Dividir el porcentaje de cada elemento para su masa atómica. | Paso 2: Dividir todos los valores obtenidos entre el menor. Redondear a número entero. | Paso 3: Plantear la fórmula empírica con los valores obtenidos en el paso 2. | Paso 5: Calcular n, las veces que la masa molar contiene a la masa de la fórmula empírica.
 | 3,33 ÷ 3,33 = 1,00 ≈ 1 | C_1H_2O_1 |
 | 6,73 ÷ 3,33 = 2,02 ≈ 2 | Paso 4: Calcular la masa de la fórmula mínima. | Paso 6: Plantear la fórmula molecular, multiplicando n por los subíndices de la fórmula empírica.
3,33 ÷ 3,33 = 1,00 ≈ 1
C: 1 x 12 = 12
H: 2 x 1 = 2
O: 1 x 16 = 16
Masa: 30
C_1x2H_2x2O_1x2
C _2H_4O_2

Cadenas carbonadas

● Cadenas carbonadas

Saberes previos

En cantidades grandes, el carbono puede ser un agente contaminante. ¿Qué problemas ambientales tiene tu ciudad respecto a este elemento químico?

Desequilibrio cognitivo

¿Pueden existir compuestos orgánicos diferentes a pesar de tener el mismo número de carbonos e hidrógenos?

La capacidad de unión del carbono hace que pueda formar una variedad inmensa de estructuras, a estas estructuras se las llama cadenas carbonadas. Las cadenas que forman los compuestos orgánicos pueden ser lineales, ramificadas, cíclicas o la combinación de todas ellas.

Cadenas lineales | Los átomos de carbono se unen formando una única cadena abierta.
Cadena ramificada | Son cadenas de carbono que a partir de una cadena principal se originan otras cadenas secundarias.
Cadena cíclica | Son cadenas de carbono que se cierran sobre sí mismas formando un ciclo.

Problema resuelto y propuesto

Identifica qué tipo de cadena carbonada corresponde a las siguientes estructuras orgánicas. Encierra en un círculo los carbonos secundarios:

a)

Respuesta
La cadena es cíclica y contiene 5 carbonos secundarios.

b)

Respuesta

Tipos de carbonos en las cadenas carbonadas

Cuando se forman las cadenas, un carbono puede unirse hasta con cuatro carbonos. Dependiendo del número de uniones los carbonos se clasifican en:

Carbonos primarios
Son los que se hallan unidos a un solo carbono, generalmente se hallan en los extremos de las cadenas.
Carbonos secundarios
Son los que forman uniones con dos carbonos.
Carbonos terciarios
Son los que se hallan unidos a tres carbonos.
Carbonos cuaternarios
Son los que se hallan unidos a cuatro carbonos.

Humor

Isómeros

En Química Orgánica no es suficiente conocer la fórmula molecular de un compuesto, puesto que puede existir infinidad de sustancias que presentan la misma fórmula molecular.

Cuando varias sustancias presentan la misma fórmula molecular se las llama isómeros. Timberlake corrobora esto: “Cuando los compuestos tienen la misma fórmula molecular, pero diferente distribución de átomos, se llaman isómeros” (Timberlake & Timberlake, 2008, pág. 588).

Clases de isomería

Los compuestos orgánicos pueden presentar varias clases de isomería. A continuación describiremos dos clases de isomerías básicas:

- Isomería estructural

En este tipo de isomería, la distribución de los átomos en la cadena carbonada suele ser diferente. Se diferencian tres tipos de isomería estructural:

De esqueleto | De posición | De grupo funcional
Cuando una fórmula molecular presenta varias secuencias en la distribución de los carbonos en la cadena. Ejemplo: C_5H_10 O | Cuando el grupo funcional puede ubicarse en posiciones diferentes. Ejemplo: C_3H_8O | Cuando en la organización de los átomos ubica a la sustancia en diferentes funciones químicas. Ejemplo: C_3H_6O

^Fuente: Maya Ediciones, 2021.

- Estereoisomería

Los estereoisómeros son moléculas que presentan la misma secuencia en el ordenamiento de sus átomos, pero la orientación de los ligandos en el átomo central es diferente.

De esqueleto | De posición
Un isómero tiene la imagen especular (imagen de espejo) del otro. | Son estereoisómeros no quirales. Presentan las formas cis y trans.

^Maya Ediciones, (2021). Esqueleto isómero

Interdisciplinariedad

Química y Anatomía

La palabra quiralidad tiene que ver con la anatomía de las manos, su morfología es parecida pero una mano no puede superponerse en la otra.
Dibuja y recorta en una hoja de papel brillante una mano. Coloca el recorte encima de la otra mano (sin dar vuelta la hoja). Contesta: ¿se pueden o no superponer las formas de las manos?

Contaminantes y efectos que producen en el entorno natural y la salud humana

Efectos del carbono

A pesar de que el carbono posee una baja toxicidad, la exposición constante al carbono coloidal, hollín o negro de humo sí producen daños en el organismo. La Organización Mundial de la Salud, OMS, clasifica al carbono coloidal producto de la acción antrópica o natural dentro de contaminantes denominados materiales particulados, MP.

El material particulado puede contaminar el aire interior como el aire exterior.

Contaminación del aire interior por MP

Se produce por la combustión incompleta debido al uso de calefones, cocinas con hornillas viejas, utilización de leña o carbón para calefacción o preparación de alimentos.
Contaminación del aire exterior por MP

Se produce por la combustión incompleta de automotores, producción de energía eléctrica en plantas termoeléctricas y fábricas, incendios.

Estudios de la OMS han mostrado que los efectos a la exposición de MP son similares tanto en países desarrollados como en vías de desarrollo. Aún no se ha podido estimar cuál es el valor de la exposición al carbono coloidal para considerarlo tóxico para la salud, pues los estudios en ese campo aún no son suficientes; sin embargo, los datos que se han obtenido hasta el momento muestran lo siguiente:

- “[…3 000 millones de personas cocinan y calientan sus hogares con fuegos abiertos y cocinas en los que queman biomasa]…
- [Cada año, más de 4 millones de personas mueren prematuramente por enfermedades atribuibles a la contaminación del aire]…
- [Más del 50% de las muertes por neumonía en menores de 5 años es causada por partículas inhaladas en interiores con aire contaminado]…
- Cada año hay 3,8 millones de defunciones prematuras debido a enfermedades no transmisibles, en particular: accidente cerebrovascular, cardiopatía isquémica, neumopatía obstructiva crónica y cáncer de pulmón son atribuibles a la exposición al aire de interiores contaminados” (OMS, 2016).

TIC

Ingresa en el siguiente enlace y observa la estructura de los diferentes isómeros.

Realiza en tu cuaderno las actividades sugeridas en el enlace.

www.mayedu.ec/quim3/p32

Ejes transversales

Ambiente

INEN: Reglamento Técnico Ecuatoriano RTE INEN 017:2008 Establece los procedimientos para el control de las emisiones contaminantes de fuentes móviles terrestres, para lo cual la casa matriz debe expedir un Certificado de emisiones para fuentes móviles, en la cual se consignan los resultados de la medición de contaminantes del aire, provenientes de los vehículos.

Comenta con tus compañeros, si es útil o no este reglamento.

La inhalación continuada de negro de humo puede producir daños temporales o permanentes en pulmones, neumoconiosis, afecciones cutáneas, entre otros.

Ciencia, tecnología y sociedad

Ciencia, tecnología y sociedad

¿Cómo se investiga en Química?

¿Cómo se investiga en Química?

¿Cómo seleccionar las fuentes de información?

Cuando estamos buscando información sobre un tema determinado podemos encontrarnos con una variedad de información; de antemano sabemos que no todas las fuentes son confiables, por lo tanto es necesario seleccionar las fuentes de información adecuadas. “Por fuente de información se entiende cualquier instrumento o, en un sentido más amplio, recurso, que nos pueda servir para satisfacer una necesidad informativa” (Biblioteca Ciències Socials "Gregori Maians", 2016).

Para seleccionar adecuadamente las fuentes, podemos hacer uso de los siguientes criterios:

Relevancia

Que la fuente contenga suficiente información y con la profundidad adecuada para que sea un aporte significativo en la exploración o marco teórico del tema de investigación.

Contenidos

Que la fuente no solo contenga los temas investigados, sino que incluya los experimentos, datos, estadísticas, relaciones, incertidumbres, bibliografía, entre otros.

Origen y autenticidad

La fuente debe poder ser identificada: quiénes la producen, sus autores, la editorial, el año...

Autoridad en la materia y especialidad

La fuente debe haber sido elaborada por personas que sean una autoridad en la materia y es mejor si la información contenida es específica.

Tarea

Ingresa en el siguiente enlace y busca información sobre material particulado MP. Comenta con tus compañeros cuántas fuentes encontraste.

www.mayedu.ec/quim3/p

Laboratorio 1

Laboratorio 1

Análisis preliminar del carbono, hidrógeno y nitrógeno

Datos informativos
Institución educativa: ______________________________________________
Nombre del estudiante: ____________________________________________
Curso y paralelo: _______________________ Fecha: ____________________

Objetivos

1. Familiarizarse con el manejo del mechero de Bunsen.
2. Comprobar la presencia de carbono en diferentes sustancias.
3. Reconocer la presencia de carbono coloidal.

Procedimiento

Primera parte: inflamación

1. Coloca una muestra de cada sustancia en una cápsula de porcelana diferente.
2. Acerca la llama del mechero a cada muestra, observa si se inflama la muestra. Escribe los resultados en la tabla de datos.
3. Acerca un vidrio reloj a la flama de las sustancia e identifica si se produce hollín o carbono coloidal. Ingresa los datos en la tabla.

Segunda parte: calcinación

1. En las cápsulas de porcelana limpias, añade otra muestra de cada sustancia.
2. Tapa las cápsulas con vidrio reloj y, sujetándolas con una pinza, calienta las cápsulas hasta que el material del interior se calcine.
3. Observa si existe residuo negro de carbón dentro de las cápsulas. Anota los resultados en la tabla.
4. Observa si en el interior del vidrio reloj que sirvió como tapa se han formado gotas de agua. Registra los resultados en la tabla.
5. Espera que se enfríe la cápsula, toca el residuo con tus dedos, describe las características.

Reactivos

- Glucosa
- Harina
- Alcohol
- Acetona
- Sal de mesa
- Talco

Materiales

- Mechero de Bunsen o lámpara de alcohol
- Cápsula de porcelana
- Pinza metálica
- Espátula
- Vidrio de reloj
- Vaso de precipitación

Seguridad y recomendaciones

1. La utilización de la llama y la inflamación de las sustancias requieren de tu debida atención y precaución en la práctica.
2. Lava de forma adecuada las cápsulas y sécalas completamente para que los resultados sean los esperados.
3. Ten prendido el fósforo antes de abrir el tornillo de paso de gas del mechero.

Gráfico

Observaciones:

Describe en breves palabras la forma adecuada de inhalar los vapores en el laboratorio.

Resultado de las observaciones

Sustancia | Inflamación Sí / No | Calcinación residuo de carbono | Hollín Carbono coloidal | Gotas de agua | Sensación al tacto | Presencia
Glucosa |  |  |  |  |  |  |  |
Harina |  |  |  |  |  |  |  |
Alcohol |  |  |  |  |  |  |  |
Acetona |  |  |  |  |  |  |  |
Sal de mesa |  |  |  |  |  |  |  |
Talco |  |  |  |  |  |  |  |

Conclusiones

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Proyecto de emprendimiento

Proyecto de emprendimiento

Tema:
Betún de zapatos

Justificación

Una de las normativas internas más comunes de los colegios es el uso correcto del uniforme. El calzado limpio e impecable es parte de la imagen que muestra el estudiante ante la comunidad educativa.

Es importante contar con un betún de mano que permita mantener un calzado limpio, y así lucir el uniforme o la vestimenta con pulcritud; eso es parte de la autoestima.

Objetivos

1. Producir un betún de mano.
2. Contribuir con la adecuada presentación del uniforme escolar.
3. Poner en práctica la utilidad del carbón o negro de humo como colorantes.

Materiales

- Parafina 100 g
- 100 g de cera de carnauba
- Negro de humo 20 g
- Aceite de vaselina
- Cajas plásticas de muestra

Los materiales puedes conseguirlos en distribuidoras de productos químicos o en boticas.

Producción

- Con la ayuda de tu maestro o de un adulto, poner a fundir la parafina en un recipiente a llama muy baja, junto con la cera de carnauba, la vaselina y el negro de humo.
- Mezclar constantemente por 15 minutos.
- Envasar.

Comercialización

- Definir lugar y fecha de demostración.
- Difundir el producto en la comunidad, con carteles, redes sociales.
- Definir lugar de venta y exhibición.
- Realizar demostraciones.

Conclusiones:

- ¿Qué aprendiste del trabajo en equipo?
- ¿Cómo pueden mejorar su estrategia de ventas?
- ¿Qué más se podría hacer para garantizar la calidad de su producto?

Evaluación del proyecto | Sí | No | En parte
Se cumplieron los objetivos. |  |  |
Se fabricó un betún de zapatos adecuado. |  |  |
Se comercializó el producto entre los estudiantes del colegio. |  |  |

Autoevaluación | Sí | No | En parte
Fuiste responsable con la actividad que se te encargó en el proyecto. |  |  |
Pudiste trabajar en equipo sin dificultad. |  |  |
Escuchaste las sugerencias de los clientes. |  |  |

Tecnologías de la Información y la Comunicación

Tecnologías de la Información y la Comunicación

Construye una molécula

1. Ingresa en el siguiente enlace: https://phet.colorado.edu/en/simulation/build-a-molecule y descarga y ejecuta la aplicación.

1. Da un clic en "grandes moléculas" y escoge un kit de átomos.

1. Primero elige los átomos de carbono que formarán la cadena, luego coloca los átomos de hidrógeno que necesites.

1. Arma diferentes tipos de cadenas carbonadas, lineales, cíclicas, ramificadas. Incluye otros elementos si lo deseas.

1. Cuando hayas armado bien una molécula, podrás visualizar su nombre y observarla en 3D.

Escoge el kit 3 y arma isómeros de C4H10, intenta también armar estereoisómeros y observa su rotación en 3D.