UNIDAD UNO

MATERIA Y ENERGÍA

Competencias a desarrollar 

ACTIVIDAD UNO

Describir las características de los estados de agregación de la materia para identificar El modelo de cinética molecular mediante un análisis comparativo.

PROPÓSITOS

• Conocer la teoría de cinética molecular.
• Identificar diversos conceptos relacionados con esta teoría (consultar glosario)

Contenido Nuclear

En física y química se observa que, para cualquier sustancia o mezcla, modificando sus condiciones de temperatura o presión, pueden obtenerse distintos estados o fases, denominados estados de agregación de la materia, en relación con las fuerzas de unión de las partículas (moléculas, átomos o iones) que la constituyen.

Todos los estados de agregación poseen propiedades y características diferentes; los más conocidos y observables cotidianamente son cuatro, llamados fases sólida, líquida, gaseosa y plasmática. También son posibles otros estados que no se producen de forma natural en nuestro entorno, por ejemplo: condensado de Bose-Einstein, condensado fermiónico y estrellas de neutrones. Se cree que también son posibles otros, como el plasma de quark-gluón

ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA

La materia se presenta en estado sólido, líquido y gaseoso.

Cada uno de estos estados posee propiedades características.

	Estado sólido	Estado líquido	Estado gaseoso
Fuerzas de cohesión entre sus partículas.	Son muy intensas.	Son intermedias	Son prácticamente nulas
Movimiento de sus partículas.	Prácticamente no se mueven.	Tienen cierta libertad de movimientos.	Se mueven con casi total libertad.
Forma que adopta	Definida y ofrece gran resistencia a variarla.	La del recipiente que lo contiene.	La del recipiente que lo contiene.
Volumen que ocupa	Constante	Constante	El del recipiente

Actividad de aprendizaje 1 

Con el siguiente vídeo deberás hacer un mapa conceptual y en donde estén los cambios de estado de agregación de la materia, deberás incluir un dibujo que ejemplifique a cada uno. debes especificar que tipo de energía es la produce el cambio en el estado de agregación.

Competencias a desarrollar 

ACTIVIDAD DOS

Identificar diferentes tipos de energía y cómo se aprovechan para la generación de energía útil para el ser humano mediante la instalación de plantas de almacenamiento.

PROPÓSITOS:

• Identificar algunos tipos de energía.
• Conocer plantas de transformación de energía natural en energía útil.
• Explicar en clase el cuadro comparativo que se desarrollo a partir del vídeo.

Contenido Nuclear

La energía es la capacidad de los cuerpos para realizar un trabajo y producir cambios en ellos mismos o en otros cuerpos. Es decir, la energía es la capacidad de hacer funcionar las cosas.

La unidad de medida que utilizamos para cuantificar la energía es el Joule (J).

Todo lo que vemos a nuestro alrededor se mueve o funciona debido a algún tipo o fuente de energía, lo cual nos demuestra que la energía hace que las cosas sucedan.

Si es de día, el Sol nos entrega energía en forma de luz y de calor. Si es de noche, los focos usan energía eléctrica para iluminar. Si ves pasar un auto, piensa que se mueve gracias a la gasolina, un tipo de energía almacenada. Nuestros cuerpos comen alimentos, que tienen energía almacenada. Usamos esa energía para jugar, estudiar... para vivir.

Desde una perspectiva científica, podemos entender la vida como una compleja serie de transacciones energéticas, en las cuales la energía es transformada de una forma a otra, o transferida de un objeto hacia otro.

Pensemos, por ejemplo, en un duraznero. El árbol absorbe luz —energía— de la radiación solar, convirtiendo la energía luminosa en energía potencial química almacenada en enlaces químicos. Luego utiliza esta energía para producir hojas, ramas y frutos. Cuando un durazno, "lleno" de energía potencial química, se cae del árbol al suelo, su energía de posición (almacenada como energía potencial gravitacional) se transforma en energía cinética, la energía del movimiento, a medida que cae. Cuando el durazno golpea el suelo, la energía cinética se transforma en calor (energía calórica) y sonido (energía acústica). Cuando alguien se come el durazno, ese organismo transforma su energía química almacenada en el movimiento de unos músculos (entre otras cosas)...

Con las máquinas y las fuentes energéticas sucede lo mismo. El motor de un auto, por ejemplo, transforma la gasolina (que contiene energía química almacenada hace mucho tiempo por seres vivos) en calor. Luego transforma ese calor en, por ejemplo, energía cinética.

¿Qué tienen en común todos los ejemplos que hemos dado? Dos cosas: la transformación (de una energía en otra) y latransferencia (la energía pasa de un objeto hacia otro).

El principio crucial y subyacente en estas series de transformaciones de energía (y en todas las transacciones energéticas) es que la energía puede cambiar su forma, pero no puede surgir de la nada o desaparecer. Si sumamos toda la energía que existe después de una transformación energética, siempre terminaremos con la misma cantidad de energía con la que comenzamos, pese a que la forma puede haber cambiado.

Este principio es una de las piedras angulares de la física, y nos permite relacionar muchos y muy diversos fenómenos. ¿En qué se parecen una pelota de fútbol impulsada por una patada, a la llama de una vela? ¿Cómo podemos comparar cualquiera de ellos con un balón de gas, o con el sándwich que te comiste al almuerzo? La energía cinética de la pelota, la energía calórica de la llama, la energía potencial química del gas y el sándwich pueden medirse y ser todas transformadas y expresadas en trabajo, en "hacer que algo suceda". Este es un paso hacia el entendimiento y la comprensión de la unidad esencial de la Naturaleza.

Fuentes energéticas

En la naturaleza existen diversas fuentes de energía; esto es, elementos o medios capaces de producir algún tipo de energía.

Como  fuentes, capaces de producir algún tipo de energía, tenemos algunas que se presentan como agotables o no renovables: el carbón, el petróleo, el gas natural, la  fuerza interna de la tierra (fuente geotérmica de energía), los núcleos atómicos (fuente nuclear de energía).

Hay otras fuentes capaces de producir energía y que se presentan como inagotables o renovables: ríos  y olas (fuente hidráulica de energía, Ver Energía hidráulica), el sol (fuente solar de energía, Ver Energía solar), el viento (fuente eólica de energía, Ver Energía eólica.), las mareas (fuente mareomotriz de energía, Ver Energía del mar), la biomasa (fuente orgánica de energía).

Cualquiera de estas fuentes es capaz de producir alguno de los diferentes tipos o formas de energía que se conocen.

Tipos o formas de energía

1.- Energía mecánica.

2.- Energía calórica o térmica

3.- Energía química.

4.- Energía radiante o lumínica

5.- Energía eléctrica o electricidad.

6.- Energía nuclear.

7.- Energía magnética

8.- Energía metabólica.

Si intentamos una definición de energía, y concordamos en que energía es todo aquello que puede hacer cambiar las propiedades de la materia, en un continuo de transformaciones, entenderemos por qué se llama energía tanto a las fuentes como a los tipos de ella.

Energía potencial y cinética

La energía potencial es igual a la masa del cuerpo multiplicada por la gravedad y por la altura a la que se encuentra desde un centro de referencia. Por ejemplo, desde el suelo.

Ep = m.g.h

La energía cinética de un cuerpo está determinada por la velocidad que tenga este y su masa. La fórmula es:

Ec = ½.m.v2

La energía cinética es igual a un medio del producto entre la masa y el cuadrado de la velocidad.

Actividad de aprendizaje 2 

Se hará un cuadro comparativo que incluirá cuatro columnas. una con el tipo de energía, otra con la definición de esa energía, otra columna donde pongas un ejemplo del uso de la energía, y la última columna donde especifiques, en donde hay ese tipo de plantas en México. El siguiente vídeo te presenta algunos de los tipos de energía, si requieres más información, puedes utilizar información en la red.  

recuerda que la energía se mide en Joules o Calorías,

Sistema internacional; Julio o joule (newton por metros). 

Calories Joules 1 4,184 2 8,368 3 12,552 4 16,736

Joules	Calories
1	0,239005736137667
2	0,478011472275335
3	0,717017208413002
4	0,956022944550669

Ejercicio: Una fuerza de 540 N estira cierto resorte una distancia de 0.150 m ¿Qué energía potencial tiene el resorte cuando una masa de 60 Kg cuelga verticalmente de él?

Competencias a desarrollar 

ACTIVIDAD TRES

Comprender y explicar las ideas más importantes que dieron origen a la teoría atómica actual, mediante una revisión histórica de la evolución de la concepción del átomo.

PROPÓSITOS:

• Identificar las teorías atómicas más importantes.
• Diferenciar los diferentes modelos atómicos.
• Comprender la evolución de la teoría atómica.

Contenido Nuclear

¿QUE ES UN MODELO ATÓMICO?

   Cuando hablamos de “modelo” hablamos de una representación o esquema de forma gráfica que nos sirve como referencia para entender algo de forma más sencilla y cuando hablamos de “atómico” hablamos de conceptos relacionados con los átomos.

   La materia está compuesta por estas partículas pequeñas e indivisibles que llamamos átomos y esos átomos tienen un comportamiento determinado y unas propiedades determinadas. 

    Pues bien, un modelo atómico es una representación gráfica de la estructura que tienen los átomos. Un modelo atómico lo que representa es una explicación o esquema de cómo se comportan los átomos. 

   A lo largo de nuestra historia se han elaborado diferentes modelos atómicos que tienen el nombre de su descubridor, veamos los más importantes. 

   MODELOS ATÓMICOS HISTORIA Y EVOLUCIÓN

   Modelo Atómico De Demócrito de Abdera

   Este fue el primer modelo atómico que se inventó por el filósofo griego Demócrito de Abdera que vivió entre los años 460 al 370 a.c (antes de Cristo).



   Demócrito fue el desarrollador de la “Teoría Atómica Del Universo”. Demócrito fue el primer filósofo científico que afirmó que los átomos son eternos, inmutables e indivisibles, es decir, que duran siempre, que no cambian y que no pueden dividirse en partículas más pequeñas. Para Demócrito el átomo era la partícula más pequeña que había, una partícula homogénea, que no se puede comprimir y que además no se puede ver… 

   De hecho la palabra “átomo” proviene del griego “á-tómo” que significa “sin división”. 

   Modelo Atómico De Dalton



    John Dalton fue un químico y matemático británico (entre otras muchas cosas) que vivió durante los años 1766 y 1844, de donde procede la palabra “Daltonismo”.

   Seguro que sabrás que las personas daltónicas son aquellas que les es muy difícil distinguir los colores por un defecto genético. Esto te lo contamos como curiosidad ya que fue Dalton quien escribió sobre esto porque él mismo lo padecía. Aparte, fue el primero en desarrollar un modelo atómico con bases científicas. Basándose en la idea de Demócrito, Dalton concluyó que el átomo era algo parecido a una esfera pequeñísima, también indivisible e inmutable. 

   Dalton hizo los siguientes “postulados” (afirmaciones o supuestos): 

   1. La materia está compuesta por partículas diminutas, indivisibles e indestructibles llamadas átomos. 

   2. Los átomos de un mismo elemento son idénticos entre sí (es decir, con igual masa y propiedades). 

   3. Los átomos de diferentes elementos tienen masas y propiedades distintas. 

   4. Los átomos permanecen sin división, incluso cuando se combinan en reacciones químicas. 

   5. Los átomos, al combinarse para formar compuestos (lo que hoy llamamos moléculas) mantienen relaciones simples. 

   6. Los átomos de elementos diferentes se pueden combinar en proporciones distintas y formar más de un compuesto. 

   7. Los compuestos químicos se forman al unirse átomos de dos o más elementos distintos. Para Dalton un átomo era algo así como una pequeña esfera. 

   Veamos una imagen del Modelo Atómico De Dalton:



   Tanto Dalton como Demócrito ya se adelantaban y ya vislumbraban el Principio de Conservación de la Energía en donde nada se crea ni se destruye, pero ambos modelos tienen insuficiencias o errores que se conocieron mucho después y es que los átomos sí pueden cambiar y también pueden dividirse en partículas más pequeñas. 

   El átomo NO es la partícula más pequeña. Sabemos ya que existen partículas subatómicas (que significa más pequeño que el átomo) como por ejemplo los “quarks”, los “neutrinos” o los “bosones”. 

   Modelo Atómico De Thomson

   Joseph John Thomson fue un científico británico que vivió entre los años 1856 y 1940 que descubrió el electrón y los isótopos. Ganó el Premio Nobel de Física en 1906 y su teoría sobre el átomo decía que los átomos estaban compuestos por electrones de carga negativa en un átomo positivo, es decir, como si tuviéramos una bola cargada positivamente rellena de electrones (carga negativa), también conocido como Modelo del Pudin De Pasas porque parece un bizcocho relleno de pasas.

   La electricidad fue lo que ayudó a Thomson a desarrollar su modelo. El error que cometió Thomson fue que hizo suposiciones incorrectas de cómo se distribuía la carga positiva en el interior del átomo. Veamos una imagen del Modelo Atómico De Thomson:




   Modelo Atómico De Rutherford

   Ernest Rutherford fue un químico y físico neozelandés que vivió entre los años 1871 y 1937 que dedicó gran parte de su vida a estudiar las partículas radioactivas (partículas alfa, beta y gamma) y fue el primero de todos en definir un modelo atómico en el que pudo demostrar que un átomo está compuesto de un núcleo y una corteza. Ganó el Premio Nobel De La Química en 1908. 

   Para Rutherford el átomo estaba compuesto de un núcleo atómico cargado positivamente y unacorteza en los que los electrones (de carga negativa) giran a gran velocidad alrededor del núcleo donde estaba prácticamente toda la masa del átomo. Para Rutherford esa masa era muy muy pequeña. Esa masa la definía como una concentración de carga positiva. 

   Los estudios de Rutherford demostraron que el átomo estaba vació en su mayor parte ya que el núcleo abarcaba casi el 100% de la masa del átomo. 

   Veamos una imagen del Modelo Atómico De Rutherford:


 

   Modelo Atómico De Bohr

   Este modelo también se llama de Bohr-Rutherford. Niels Henrik David Bohr fue un físico danés que vivió entre los años1885 y 1962 que se basó en las teorías de Rutherford para explicar su modelo atómico.

   En el modelo de Bohr se introdujo ya la teoría de la mecánica cuántica que pudo explicar cómo giraban los electrones alrededor del núcleo del átomo. Los electrones al girar entorno al núcleo definían unasórbitas circulares estables que Bohr explicó como que los electrones se pasaban de unas órbitas a otras para ganar o perder energía.

   Demostró que cuando un electrón pasaba de una órbita más externa a otra más interna emitía radiación electromagnética. Cada órbita tiene un nivel diferente de energía.

   Veamos una imagen del Modelo Atómico De Bohr: 



   Modelo Atómico De Sommerfeld

   Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld fue un físico alemán que vivió entre los años 1868 y 1951. La aportación más importante de este físico alemán fue cambiar el concepto de las órbitas circulares que definían los electrones en el modelo atómico de Bohr por órbitas elípticas. 

   Lo que hizo Sommerfeld fue perfeccionar el modelo de Bohr con las órbitas elípticas lo que dio lugar al descubrimiento del numero cuántico Azimutal (o secundario). Cuanto mayor era este número mayor era la excentricidad de la órbita elíptica que describía el electrón. 

   Veamos una imagen del Modelo Atómico De Sommerfeld: 




   Modelo Atómico De Schrödinger

   Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger fue un físico austriaco que vivió entre los años 1887 y 1961 cuyo modelo cuántico y no relativista explica que los electrones no están en órbitas determinadas. 

   Describió la evolución del electrón alrededor del núcleo mediante ecuaciones matemáticas pero no su posición.

   Decía que su posición no se podía determinar con exactitud. Schrödinger propuso entonces una ecuación de onda que ayuda a predecir las regiones donde se encuentra el electrón, que se conoce como “ecuación de Schrödinger”. 

   Veamos una imagen del Modelo Atómico De Schrödinger: 

 Actividad de aprendizaje 3

Has una línea del tiempo e incluye los hallazgos de cada uno de los científicos sobre el átomo.

a partir de Dalton, deberás poner un dibujo que ejemplifique la idea básica de átomo. Debes consultar las páginas 26-35. Recuerda que debes incluir todos los elementos significativos de cada modelo.

Competencias a desarrollar 

ACTIVIDAD CUATRO

Comprender y Calcular los números cuánticos mediante configuración electrónica. 

PROPÓSITOS:

• Identificar la configuración electrónica en spin.
• Identificar los cuatro números cuánticos. 
• Desarrollar ejercicios de aplicación. 

Contenido Nuclear

En física y química, la configuración electrónica es la manera en la cual los electrones se estructuran o se modifican en un átomo de acuerdo con el modelo de capas electrónicas, en el cual las funciones de ondas del sistema se expresa como un producto de orbitales antisimetrizadas.

En la descripción de un átomo en el contexto de la mecánica cuántica, se sustituye el concepto de órbita por el deorbital atómico. Un orbital atómico es la región del espacio alrededor del núcleo en el que la probabilidad de encontrar un electrón es máxima. Cada orbital tiene asociado un valor de Ψ² y un cierto valor de energía.

ü La solución matemática de la ecuación de Schrödinger precisa de tres números cuánticos. Cada trío de valores de estos números describe un orbital.

• Nº cuántico principal (n): puede tomar valores enteros (1, 2, 3...) y coincide con el mismo nº cuántico introducido por Bohr. Está relacionado con la distancia promedio del electrón al núcleo en un determinado orbital y, por tanto, con el tamaño de este e indica el nivel de energía.
• Nº cuántico secundario (ℓ): puede tener todos los valores desde 0 hasta n – 1. Está relacionado con la forma del orbital e indica el subnivel de energía.
• Nº cuántico magnético (m_ℓ): puede tener todos los valores desde - ℓ hasta + ℓ pasando por cero. Describe la orientación espacial del orbital e indica el número de orbitales presentes en un subnivel determinado.

ü Para explicar determinadas características de los espectros de emisión se consideró que los electrones podían girar en torno a un eje propio, bien en el sentido de las agujas del reloj, bien en el sentido contrario. Para caracterizar esta doble posibilidad se introdujo el nº cuántico de espín (m_s) que toma los valores de + ½ o - ½.

Actividad de aprendizaje 4 

Observa el siguiente vídeo y resuelve los o ejercicios siguientes. Puedes apoyarte en los ejercicios de las páginas 35-38.

Con base en lo expuesto, resuelve los siguientes ejercicios:

Competencias a desarrollar 

ACTIVIDAD CINCO

Comprender y Calcular las diferentes configuraciones electrónicas, mediante el uso del spin.

PROPÓSITOS:

• Identificar la configuración electrónica en spin.
• Identificar los siete niveles cuánticos superiores y su número de electrones. 
• Desarrollar configuraciones electrónicas en Sin de diferentes elementos. 

Contenido Nuclear

 La configuración electrónica del átomo de un elemento corresponde a la ubicación de los electrones en los orbitales de los diferentes niveles de energía. Aunque el modelo de Scrödinger es exacto sólo para el átomo de hidrógeno, para otros átomos es aplicable el mismo modelo mediante aproximaciones muy buenas.

Actividad de aprendizaje 5 

Con lo explicado en la clase, debes poder fabricar tu propia tabla en diagonal. y Con base en lo que se presenta el vídeo, calcula las configuraciones atómicas de los siguientes elementos. busca en tu tabla periódica su numero atómico para que puedas usarlo correctamente. 

Au, Ag, Hg, Xe, Na, He, K