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3. Instrumentos de medición ¿Con qué se miden las magnitudes físicas? ¿Ha utilizado algún instrumento de medición? En la vida diaria, las personas emplean objetos que permiten medir las magnitudes físicas; por ejemplo, un reloj para saber cuánto tiempo tarda en ducharse, una regla para determinar la longitud de algo o una balanza para comprar la cantidad de carne que necesita. Esos objetos se denominan instrumentos de medición o de medida. Los instrumentos de medición tienen una escala numérica que usa como referencia las unidades patrón de medida del SI, sus múltiplos y sus submúltiplos. Estos pueden ser analógicos o digitales. • Analógicos. Tienen una escala con divisiones. La medida se obtiene a partir de la posición que marca un índice en la escala; ese índice puede ser una aguja o la misma magnitud medida, por ejemplo. • Digitales. Poseen una pantalla donde aparece el valor de la medida. Medición de la longitud Para medir la longitud, o sea la distancia entre dos puntos determinados, existe gran variedad de instrumentos como el metro, la regla, la cinta métrica y el calibre. Todos están graduados en metros, centímetros y milímetros. La regla se usa para medir longitudes en planos y mapas, y para conocer las dimensiones de objetos pequeños, entre otros. La cinta métrica retráctil se emplea en construcción, principalmente. La cinta métrica flexible es muy empleada en el diseño de modas y el cuidado de la salud, para tomar las medidas del cuerpo. El vernier, calibre o pie de rey es un instrumento de precisión que se usa para medir diámetros, espesores y profundidades. El medidor láser de longitud mide la distancia que existe hasta el objeto donde se apunte. Además, calcula los metros cuadrados en determinado espacio. Shutterstock Shutterstock Shutterstock Shutterstock Shutterstock 100 Unidad 3 • Estimaciones y mediciones

Indicador de evaluación Reconoce algunos instrumentos de medida de longitud, masa, peso y volumen. Medición de la masa La masa se refiere a la cantidad de materia que posee un cuerpo y se mide con instrumentos llamados balanzas o básculas (y en Costa Rica, también conocidos como ”romanas”), que pueden estar graduados en miligramos, gramos y kilogramos. Erlenmeyer Probeta Beaker Medición del volumen El volumen expresa la extensión de un cuerpo en tres dimensiones: largo, ancho y alto, y también define el espacio que este ocupa. Para medir el volumen de los sólidos regulares, generalmente se mide la longitud en esas tres dimensiones y se emplea una fórmula matemática para calcularlo (volumen = largo • ancho • largo). Cuando se mide el volumen de un líquido, se emplean recipientes graduados, como probetas, beakers (vasos de precipitado) y matraces de Erlenmeyer, entre otros. Todos estos generalmente están graduados en decilitros, centilitros, mililitros o litros, aunque hay algunos que están graduados en centímetros cúbicos. E Los recipientes graduados también se emplean para calcular, por diferencia, el volumen de los sólidos regulares e irregulares. D Para medir una fuerza, como el peso, se usa un dinamómetro (graduado en newtons), como el de la imagen. E Las balanzas son empleadas normalmente en supermercados, pulperías y ferias del agricultor, entre otros comercios. E Shutterstock Shutterstock Shutterstock Shutterstock Glosario peso. Tipo de fuerza que es el producto de la masa de un objeto por la aceleración de la gravedad del astro donde se encuentre. © Eje temático II • Uso sostenible de la energía y los materiales 101

3. Instrumentos de medición Shutterstock E Los cronómetros son un tipo de reloj que mide fracciones de tiempo muy pequeñas. Medición del tiempo El tiempo es una magnitud física que permite ordenar la secuencia de los sucesos, estableciendo un pasado, un presente y un futuro. Los relojes son los instrumentos que se emplean para cuantificar el tiempo. Generalmente están graduados en horas, minutos y segundos. Algunos miden también las milésimas (milisegundos). Medición de la temperatura Los termómetros son instrumentos que posibilitan medir la temperatura, es decir, la energía cinética de las partículas que forman un cuerpo. Estos utilizan escalas expresadas en kelvins, grados Celsius o grados Fahrenheit. D La mayoría de los termómetros se gradúa en grados Celsius y Fahrenheit. Shutterstock Actividades Evaluación formativa 1. Defina qué es un instrumento de medición. 2. Determine cuál instrumento de medición se puede usar para medir cada magnitud física. Anote, además, en qué unidades debe estar graduado. a. La cantidad de materia que tiene un saco de arroz b. Las dimensiones (largo, alto y ancho) de una puerta c. El peso de una persona d. La temperatura del interior del refrigerador 3. Justifique por qué es inexacto decir que cuando nos subimos a una balanza nos estamos pesando. Aclare cuál es la manera más precisa de describir la medición que hacemos. 4. Investigue de qué manera se miden longitudes grandes, como la distancia entre las ciudades de Heredia y Cartago, o entre San José y Tokio. 102 Unidad 3 • Estimaciones y mediciones

Indicadores de evaluación Reconoce algunos instrumentos de medida de temperatura y tiempo. Identifica la incertidumbre de un instrumento. Incertidumbre Como ya sabe, toda medición se compone de un número y de una unidad. El número tiene un valor que se puede medir certeramente y otro que no es seguro. Este valor inseguro se llama incertidumbre y es la máxima diferencia que puede existir entre el valor medido y el valor real; la da el aparato empleado en la medición. La incertidumbre de un instrumento analógico es la mitad de la menor división del instrumento. Como lo pudo notar en los ejemplos anteriores, una medida se puede plantear con su incertidumbre. Para esto, se anota la medida seguida del símbolo “±” y la incertidumbre. Dicha forma de expresarla quiere decir que el valor real de la medida está entre dos valores. Por ejemplo, en el caso del reloj, la medida de tiempo se puede escribir como 10:10 ± 0,5 min. Como 0,5 min equivale a 30 segundos, el valor real del tiempo se encuentra entre 10:10:30 y 10:09:30. La incertidumbre de un instrumento digital está en el último dígito, a la derecha, que aparece en la pantalla. Trabaje en la siguiente dirección electrónica: www.santillana.cr/OD/ instrumentosC7 – Escoja dos instrumentos de los mencionados en la página y haga una presentación multimedia. Incluya en ella datos como la utilidad, cuál magnitud miden, en qué unidades están graduados e imágenes, entre otros. Puente con las TIC Las baterías de un solo uso, como aquellas que utilizan los relojes analógicos, contienen sustancias químicas que pueden contaminar el suelo y el agua. Sin embargo, pocos centros de acopio reciben este tipo de materiales. Una forma de evitar este problema es mediante el uso de baterías recargables. – Investigue, en su municipalidad, si existen en su cantón alternativas para el reciclaje de baterías. – Mencione una ventaja de las baterías recargables. Desarrollo sostenible La medida con su incertidumbre se puede expresar como 10:10 ± 30 s. El valor real del tiempo medido está entre 10:10:30 y 10:09:30. La menor división de este reloj es 1 minuto. La incertidumbre es 0,5 min = 30 s. D Reloj analógico. La medida con su incertidumbre se puede formular como 26,1 ºC ± 0, 1 ºC. El valor real de la temperatura ambiental está entre 26 ºC y 26,2 ºC. El mínimo valor que marca este termómetro es 0,1 ºC; o, lo que es lo mismo, la temperatura aumenta en 0,1  ºC. Entonces esa es la incertidumbre del aparato. D Termómetro digital. © Eje temático II • Uso sostenible de la energía y los materiales 103

Cifras significativas Las cifras significativas son los números que tienen importancia en la medición. Estas cifras son el conjunto de las cifras ciertas y de la primera cifra dudosa obtenidas en una medición. Por ejemplo, en la medida de la temperatura de la página 103: Cifras ciertas Cifra dudosa Cifras significativas Incertidumbre 26,1 ºC ± 0,1 ºC Para expresar el resultado con la cantidad de cifras adecuadas, es necesario tener en cuenta lo siguiente: • En sumas o restas, el resultado debe expresarse con igual cantidad de decimales que el número que tiene menos decimales. Por ejemplo, si se suma 210,1 L más 6,42 L, el resultado se tiene que anotar como 216,5 L y no 216,52 L. • En multiplicaciones y divisiones, el resultado se expresa con igual cantidad de cifras significativas que el número con menos cifras significativas. Por ejemplo, si se multiplica 5,71 cm por 12,34 cm, el resultado se debe anotar como 70,4 cm2 y no 70,46 cm2. Errores en la medición Un error de medición es la diferencia entre el valor real de la medida y el valor obtenido experimentalmente. Cuando se hace una medición pueden ocurrir dos tipos de errores: los aleatorios y los sistemáticos. Los errores aleatorios son ocasionales; si se prevén, no se pueden eliminar y es muy difícil minimizarlos debido a que no se conocen sus causas y ocurren al azar. Los errores sistemáticos son constantes al realizar una medición. Están relacionados con la destreza de la persona que realiza la medición, la calidad del instrumento o con cambios en las condiciones ambientales que afecten el aparato (por ejemplo, un aumento de temperatura causa dilatación), entre otros. Los errores sistemáticos afectan todas las medidas efectuadas con el mismo instrumento y el error para todas ellas es el mismo. Por ejemplo, si se mide el peso con un dinamómetro mal ajustado, todas las mediciones hechas con este aparato tendrán un error sistemático; el error será el mismo para todas las mediciones que se hagan usando ese dinamómetro. La mayoría de los errores sistemáticos se puede corregir o minimizar. Además, algunos se toleran porque no afectan mucho la exactitud de la medida. 3. Instrumentos de medición Trabaje en la siguiente dirección electrónica: www.santillana.cr/OD/cifrasC7 – Resuelva los ejercicios de cifras significativas para repasar los contenidos de este tema. Puente con las TIC Actividades Evaluación formativa 1. Escriba cuál es la incertidumbre de los aparatos de las páginas 100, 101 y 102. a. Calibre: b. Cinta métrica retráctil: c. Balanza digital: d. Dinamómetro: e. Beaker: f. Termómetro: 2. Anote la medida del dinamómetro de la página 101 con su incertidumbre y tres cifras significativas. a. Explique qué significado tiene esa medida. 104 Unidad 3 • Estimaciones y mediciones

Resumen de conceptos • Los instrumentos de medida o de medición son los objetos empleados para medir las magnitudes físicas. Tienen una escala numérica que usa unidades patrón de medida, sus múltiplos y sus submúltiplos. • Los instrumentos análogos tienen una escala con divisiones y la medida la marca un índice, como una aguja o la misma magnitud. Los instrumentos digitales presentan la medida en una pantalla. • Los instrumentos de medida de longitud están graduados generalmente en metros, centímetros y milímetros; por ejemplo, el metro, la regla, la cinta métrica, el calibre y el medidor láser. • Las balanzas son los instrumentos de medida de masa; pueden estar graduadas en miligramos, gramos y kilogramos. • Los recipientes graduados se usan para medir el volumen de los líquidos y para calcular el volumen de los sólidos (por diferencia); están graduados generalmente en mililitros y litros. Algunos son el beaker, el Erlenmeyer y la probeta. • Para medir la temperatura, se usan termómetros que generalmente se gradúan en grados Celsius o Fahrenheit. • Los relojes y los cronómetros permiten medir el tiempo. Están graduados en horas, minutos y segundos, generalmente. • La incertidumbre es el valor inseguro de una medición. Está determinada por la escala del instrumento que se utilice. • Las cifras significativas son el conjunto de las cifras ciertas y la primera cifra dudosa obtenidas en una medida. • Los errores aleatorios en una medición son ocasionales y suceden al azar. Los sistemáticos suceden siempre y son causados por el instrumento de medición o por la persona que realiza la medida, entre otros. Indicadores de evaluación Define “cifras significativas”. Reconoce algunos tipos de errores en la medición. Actividades de cierre 1. Identifique. ¿Cómo se denomina el instrumento de la imagen? 2. Reconozca. ¿Qué magnitud física se puede medir con él? 3. Observe. ¿En qué unidades está graduado? 4. Analice. ¿Cuál es su incertidumbre? 5. Anote la medida que marca el instrumento con su incertidumbre y tres cifras significativas. a. Explique qué significa esa medida. Shutterstock © Eje temático II • Uso sostenible de la energía y los materiales 105

científicas Taller de HABILIDADES K Plantear preguntas de investigación K Formular hipótesis y predicciones K Planificar y ejecutar una investigación K Concluir y evaluar D Árbol de Guanacaste Planificar y ejecutar una investigación Para llevar a cabo una investigación, esta se debe planificar de tal modo que permita la recolección de evidencias teóricas o empíricas, a fin de verificar o rechazar la hipótesis formulada. Es necesario considerar los antecedentes teóricos que existen sobre el tema en estudio y los recursos disponibles; estos incluyen los insumos materiales y el tiempo requerido. Cuando se realiza una investigación experimental se recrea el fenómeno por estudiar, pero en condiciones controladas para facilitar la observación de la interacción entre las variables. En este aspecto es clave la correcta manipulación de los instrumentos de medición y las medidas de seguridad al ejecutar la experiencia. Lea la hipótesis y la predicción que se plantean a continuación; a partir de ellas se va a planificar y ejecutar una investigación experimental. Hipótesis. La longitud de las hojas del árbol de Guanacaste depende de la cantidad de luz natural que reciban. Predicción. Las hojas del árbol de Guanacaste que estén más cerca del tronco están menos expuestas al sol y, por tanto, la luz que reciben es de menor intensidad; entonces su longitud es menor a la de las hojas que están más alejadas del tronco. ¿Cómo planificar una investigación? Paso 1. Revise los antecedentes Se aprovecha el conocimiento acumulado por la ciencia que tenga relación con el tema de investigación, disponible en libros de texto y otros medios especializados. Es necesario seleccionar las fuentes que consultará de acuerdo a la congruencia con el tema de interés, ya que con esa información podrá tomar decisiones clave para el estudio. Paso 2. Proponga objetivos A partir de la hipótesis, se podrá formular el objetivo de su investigación. Este debe redactarse con un verbo en infinitivo, ser claro y medible. El objetivo guiará el trabajo. Paso 3. Determine los materiales e instrumentos que usará Recuerde que las variables son, por definición, medibles; por esa razón, en una investigación experimental debe decidir qué instrumentos empleará para medirlas, de manera que sus resultados sean confiables. Para la situación planteada se necesita una regla y un instrumento denominado fotómetro, para medir la intensidad de luz. Paso 4. Organice el trabajo Se elabora una secuencia detallada de pasos por seguir, con la indicación de los materiales y el tiempo necesarios. Se puede acompañar de un esquema o de ilustraciones para que la planificación quede explicada de manera clara y precisa en todo momento. Shutterstock 106 Unidad 3 • Estimaciones y mediciones

¿Cómo ejecutar una investigación? Paso 1. Prepare el espacio, los instrumentos y los materiales A partir del diseño, se disponen los instrumentos y se revisa la manera de usarlos adecuadamente. En el ejemplo, se utilizará un fotómetro, por lo que se debe revisar sus características y su funcionamiento para registrar los datos correctamente. Además, en este caso se recolectan hojas de los árboles según su cercanía al tronco; por tanto, es necesario ordenarlas para su medición de manera que luego no haya confusión en los datos registrados. Paso 2. Controle las variables Se deben tener las variables controladas en todo momento; esto asegura que el experimento pueda ser reproducido. En el ejemplo, es necesario que se determine la intensidad lumínica en varios sectores del árbol: en puntos cercanos al tronco y en puntos más cercanos a los extremos de la copa; esa medición debe realizarse a una misma hora del día. Además, se tendrá que medir la longitud de las hojas que están en esos puntos. Esto permitirá obtener distintos datos de las longitudes de las hojas y observar si varían según la intensidad de la luz. Paso 3. Mantenga una actitud de observación La observación debe estar presente durante todo el proceso. En el ejemplo, se debe poner atención si existe un aumento de la longitud de las hojas a medida que se incrementa la intensidad lumínica. Paso 4. Recolecte los datos de su experimento Utilice desde un cuaderno de registro hasta un procesador de textos para recopilar los datos de manera ordenada. Puede apoyarse incluso en algún registro audiovisual. En nuestro ejemplo, se puede elaborar una tabla con la intensidad lumínica y la longitud de las hojas. Puede hacerse en Excel u otra hoja de cálculo. Paso 5. Cuantifique las variables Los datos cuantitativos se deben organizar; pueden ser representados en tablas y gráficos generados con algún programa. AhoraUSTED K Aplique lo revisado anteriormente en la actividad Materiales y procedimiento 1. Planifique, paso a paso, una investigación que le permita poner a prueba la hipótesis anterior. 2. Ejecute la investigación planificada y evalúe si la hipótesis planteada se verifica o se rechaza. Argumente su respuesta. Hipótesis Las plantas de zacate que crecen en áreas que reciben mayor cantidad de luz durante el día poseen hojas en general más largas que las de los zacates de la misma especie que crecen bajo zonas sombreadas Resumen de conceptos • Planificar una investigación es diseñar un plan secuenciado de pasos que se seguirán, con la indicación de los recursos necesarios, con el propósito de poner a prueba una hipótesis. • Ejecutar una investigación es recolectar evidencias teóricas o empíricas, de forma rigurosa. © Eje temático II • Uso sostenible de la energía y los materiales 107

científico Trabajo Realizando estimaciones y mediciones A continuación, podrá aplicar lo aprendido en el Taller de habilidades científicas. En este caso, pondrá a prueba su capacidad para planificar y ejecutar una investigación. Antecedentes Se sabe que las estimaciones son útiles en situaciones en que no se cuenta con un instrumento y se necesita medir una magnitud física; además, las unidades de medida arbitrarias también ayudan en esos casos. Sin embargo, en ocasiones se requiere que las mediciones sean exactas, por lo que es necesario utilizar instrumentos de medida. Procedimiento En grupos de tres personas realicen las siguientes actividades: Altura 1. Apóyese erguido contra la pared. Pida a sus compañeros de equipo que determinen su estatura usando como instrumento de medida sus manos (por ejemplo, el jeme). 2. Luego, pídales que midan su estatura usando la cinta métrica. Masa 3. Compare a los miembros de su grupo: ¿quién tiene mayor masa? 4. Utilice una balanza de baño para medir la masa de todos los miembros del grupo y anoten los resultados. Temperatura 5. Coloque en un vaso unos cubos de hielo; en otro, agua caliente, y en el tercero, agua a temperatura ambiente. Acerque sus manos a los vasos. ¿Cuál tiene mayor temperatura? Clasifíquelos en caliente, tibio y frío. 6. Mida con el termómetro la temperatura del agua de los tres vasos y anótela. Superficie 7. Midan, con sus pies, el largo (l) y el ancho (a). Calculen la superficie o área (A) del aula empleando la fórmula (A = l • a) ¿Cuán diferentes son las medidas de todos los miembros del grupo? 8. Usen la cinta métrica para medir las dimensiones del aula; calculen la superficie del aula y anoten la medida. Volumen 9. Estime cuántos mililitros de arena le caben a la caja de cartón. Escriba su estimación. 10. Llene la caja de cartón con arena. Luego, vierta el contenido en la probeta graduada. Anote la medida. Materiales • arena • 1 termómetro • 1 cinta métrica • agua caliente • cubos de hielo • 3 vasos de vidrio • 1 balanza de baño • 1 probeta graduada • 1 caja pequeña de cartón • agua a temperatura ambiente 108 Unidad 3 • Estimaciones y mediciones

11. Registre sus observaciones sobre los procedimientos realizados en tablas. Explique cuándo son más precisas las mediciones. 12. Responda las siguientes preguntas: a. Formule cinco hipótesis que se pueden comprobar mediante estos procedimientos. • Hipótesis 1 • Hipótesis 2 • Hipótesis 3 • Hipótesis 4 • Hipótesis 5 b. De acuerdo a los resultados obtenidos, ¿se pueden aceptar las hipótesis? Explique. c. ¿Cuáles variaciones haría en el procedimiento planteado?; ¿por qué? d. ¿Qué podría mejorar en la ejecución de la investigación? Shutterstock Shutterstock © Eje temático II • Uso sostenible de la energía y los materiales 109

¿Qué recuerda? Evaluación diagnóstica ¿Cómo va? Evaluación sumativa ¿Qué aprendió? Evaluación sumativa Marque la alternativa correcta. 1 ¿Cuál es una medida? A. 5. B. 5 años. C. 5 naranjas. D. 5 más que el otro. 2 ¿Cuál es una medida arbitraria? A. 28 manzanas. B. 28 candelas. C. 28 horas. D. 28 litros. 3 Observe la imagen. El círculo rojo es el valor real de la magnitud y los puntos negros representan mediciones sucesivas. ¿Qué se puede asegurar de la calidad de la medición? A. Es precisa y exacta. B. No es precisa ni exacta. C. Es precisa pero no exacta. D. Es exacta pero no precisa. 4 El Sistema Internacional de Unidades es un conjunto de unidades patrón de medida que A. varía de un país a otro. B. se usa solo en Costa Rica. C. se emplea en todos los países del mundo. D. es utilizado en casi todos los países del mundo. 5 Las unidades derivadas del SI A. son siete en total. B. permiten expresar cualquier otra magnitud. C. relacionan dos o más unidades fundamentales. D. se usan para medir las magnitudes fundamentales. 6 Cuando se asigna un valor a una magnitud física sin emplear ningún instrumento de medida se hace una A. medición. B. percepción. C. estimación. D. aproximación. 7 ¿Cuál es la unidad básica de medida del peso? A. julio. B. gramo. C. newton. D. kilogramo. 110 Unidad 3 • Estimaciones y mediciones

8 Considere la información que se le presenta en los siguientes recuadros: Prefijo I. kiloII. deciIII. miliIV. decaEquivalencia a. 1 • 10-1 b. 1 • 10-3 c. 1 • 101 d. 1 • 103 ¿Cuál es la relación correcta entre el contenido de los recuadros? A. Ia, IIb, IIIc y IVd. B. Ib, IIc, IIId y IVa. C. Ic, IId, IIIa y IVb. D. Id, IIa, IIIb y IVc. 9 ¿Cuál es el símbolo del prefijo micro-? A. . B. m. C. M. D. mi. 10 ¿Cómo se lee la expresión 10 Mcd? A. “Diez candelas”. B. “Diez milicandelas”. C. “Diez megacandelas”. D. “Diez microcandelas”. 11 ¿Cuál factor de conversión se debe usar para transformar moles a hectomoles? A. 1 mol/10 hmol. B. 1 hmol/100 mol. C. 100 mol/1 hmol. D. 100 hmol/1 mol. 12 Analice la siguiente información: Instrumento I. Metro II. Balanza III. Probeta IV. Dinamómetro Magnitud a. Peso b. Masa c. Volumen d. Longitud ¿Cuál es la relación correcta entre la información de los recuadros? A. Ia, IIb, IIId y IVc. B. Ib, IIa, IIIc y IVd. C. Ic, IIb, IIIa y IVd. D. Id, IIb, IIIc y IVa. 13 ¿Cuál es la incertidumbre de un recipiente graduado en cl (va de 10 ml en 10 ml)? A. -1 cl. B. ±5 ml. C. +0,5 cl. D. ±10 ml. © Eje temático II • Uso sostenible de la energía y los materiales 111

¿Qué recuerda? Evaluación diagnóstica ¿Cómo va? Evaluación sumativa ¿Qué aprendió? Evaluación sumativa Analice la información y responda las preguntas de la 14 a la 22. 14 ¿Cuál es la magnitud física medida? 15 ¿Cuál es la medida? 16 ¿A cuántas unidades básicas del SI equivale la medida? 17 ¿A cuántos exámetros equivale la medida? 18 ¿A cuántos picómetros equivale la medida? 19 ¿Cómo se llama el instrumento empleado para hacer la medición? 20 ¿Qué tipo de instrumento es: analógico o digital? Explique. 21 ¿Cuál es la incertidumbre del aparato? 22 ¿Cuál es la medida con la incertidumbre? Anótela con cuatro cifras significativas. Shutterstock 112 Unidad 3 • Estimaciones y mediciones

Observe la información y responda las preguntas de la 23 a la 29. Shutterstock 23 ¿Cuál es la magnitud física medida? 24 ¿Cómo se llama el instrumento empleado para hacer la medición? 25 ¿En qué unidades de medida cree que está graduado el aparato empleado en la medición?; ¿por qué? 26 ¿Cuál es la medida con la incertidumbre? Anótela con tres cifras significativas. 27 ¿A cuánto equivale esa medida en unidades básicas del SI? 28 Los grados Rankine (R) son otra unidad de medida de temperatura. ¿A cuánto equivale la medida en grados Rankine, si K = 5 9 R? 29 La temperatura corporal varía según la persona, su edad, las actividades que realiza y la hora del día. La temperatura “normal” promedio va desde 36,1 °C a 37,2 °C. Una temperatura por encima de 38° C significa que la persona tiene fiebre, pues padece de alguna infección u otra enfermedad. Plantee una pregunta de investigación relacionada con esta información y la de la imagen. © Eje temático II • Uso sostenible de la energía y los materiales 113

Lea y escriba para aprender Planificación y ejecución de una investigación 1. ¿Qué voy a leer? A continuación le presentamos un resumen con la estructura de un informe de investigación científica. Cada una de las partes se relaciona con la planificación y la ejecución de una investigación. En la sección Taller de habilidades científicas se mencionó una experiencia relacionada con la longitud de las hojas del árbol de Guanacaste. Acá le presentamos un ejemplo del texto que se debe registrar en la etapa de procedimiento. A una altura de 1,2 m del suelo se midió la intensidad lumínica en cinco puntos ubicados a una distancia menor a 50 cm del tronco del árbol y de cinco puntos localizados a una distancia entre 100 cm a 200 cm del tronco. La medición se realizó de 11 a. m. a 11:15 a. m. Posteriormente, con una podadora extensible, se recolectaron las hojas que estaban ubicadas en una línea vertical por encima de cada punto donde fue medida la intensidad lumínica. Hipótesis: La longitud de las hojas ubicadas a una distancia entre 100 cm a 200 cm del tronco es mayor que la de las hojas localizadas a una distancia menor de 50 cm. Se debe escribir el título de la investigación. Corresponde al paso 1 de la planificación: “Revise los antecedentes“. Corresponde al paso 2 de la planificación: “Proponga objetivos.“ Corresponde al paso 3 de la planificación: “Determine los materiales e instrumentos“; y al paso 1 de la ejecución: “Prepare el espacio, los instrumentos y los materiales”. TÍTULO DE LA INVESTIGACIÓN MARCO TEÓRICO (INFORMACIÓN CIENTÍFICA) OBJETIVOS MATERIALES PROCEDIMIENTOS RESULTADOS (DATOS OBTENIDOS) Corresponde al paso 4 y al paso 5 de la ejecución: “Recoja los datos y cuantifique las variables de su experimento“. Corresponde al paso 4 de la planificación: “Organice el trabajo,“ y al paso 2 y al paso 3 de la ejecución: “Controle las variables y mantenga una actitud de observación“. 114 Unidad 3 • Estimaciones y mediciones

2. Analice el texto En el texto se utilizan palabras clave para planificar y ejecutar la investigación. Se escriben los verbos en pasado y las frases se unen mediante conectores. 3. Aplique lo aprendido Analice y reescriba el procedimiento que propuso en el Taller de habilidades científicas (página 107). Utilice verbos en pasado y conectores para organizar la información, y describir claramente los pasos que siguió en un orden temporal lógico. 4. Revise el trabajo Cuando finalice la redacción del procedimiento, evalúelo con la siguiente pauta. Si algún elemento no está bien logrado, revíselo y mejórelo. A una altura de 1,2 m del suelo se midió la intensidad lumínica en cinco puntos ubicados a una distancia menor a 50 cm del tronco del árbol y de cinco puntos localizados a una distancia entre 100 cm a 200 cm del tronco. La medición se realizó de 11 a. m. a 11:15 a. m. Posteriormente, con una podadora extensible, se recolectaron las hojas que estaban ubicadas en una línea vertical por encima de cada punto donde fue medida la intensidad lumínica. Verbos en pasado Conectores Evaluación del procedimiento Criterios Sí No La información se presenta de forma clara y precisa. El procedimiento se escribe utilizando verbos en tiempo pasado. El texto utiliza conectores para ordenar temporal y lógicamente las ideas. 5. Comparta Compare con los compañeros los distintos procedimientos propuestos. Identifiquen sus similitudes y diferencias. Finalmente, entre todos redacten un procedimiento general que considere los criterios de la pauta. © Eje temático II • Uso sostenible de la energía y los materiales 115

4 Unidad Criterios de evaluación • Reconocer las propiedades de los materiales y sus aplicaciones en actividades cotidianas. • Distinguir los estados de agregación y cambios físicos de los materiales, que ocurren en la vida diaria. • Tomar conciencia de la responsabilidad en la selección y uso de materiales, para aprovechar sus propiedades de manera eficiente, disminuyendo el impacto ambiental. • Identificar las sustancias puras, las mezclas homogéneas y las heterogéneas presentes en los materiales de uso cotidiano. • Aplicar métodos físicos de separación de mezclas de materiales, tomando en cuenta el estado de agregación en que se encuentran. • Valorar la utilidad de los métodos de separación físicos en actividades domésticas e industriales que beneficien el ambiente. Eje temático II. Uso sostenible de la energía y los materiales La materia 116 Unidad 4 • La materia

Punto de partida En esta unidad desarrollará las habilidades científicas de concluir y evaluar. Esta etapa culmina la investigación científica; en ella debemos justificar la verificación o refutación de la hipótesis planteada al inicio del trabajo y exponer argumentos y afirmaciones a partir de los resultados obtenidos. Finalmente, es necesario evaluar el trabajo realizado, indicar posibles fuentes de error y proponer mejoras en el procedimiento que se puedan considerar en estudios posteriores. 1. ¿Cuál es una característica en común del acero, el carbón y el cuarzo que se muestran en la imagen?; ¿qué diferencias hay entre estos materiales? 2. ¿Cuáles estudios cree que se tuvieron que efectuar para concluir sobre las ventajas de las propiedades del acero como material de construcción? ¿Qué aprenderá? • Características de la materia • Estados de agregación de la materia • Cambios físicos y químicos • Clasificación de la materia • Características de las sustancias puras y las mezclas • Métodos de separación de mezclas y sus aplicaciones Shutterstock © Ciencias 7 117

¿Qué aprendió? ¿Qué recuerda? Evaluación sumativa Evaluación diagnóstica ¿Cómo va? Evaluación sumativa Marque la alternativa correcta. 1 Analice la imagen sobre cambios de estado de la materia. I. II. ¿Cuáles cambios de estado se ilustran? A. I. fusión y II. vaporización. B. I. fusión y II. condensación. C. I. solidificación y II. sublimación inversa. D. I. sublimación progresiva y II. vaporización. 2 El estado de agregación en el que las partículas se mantienen en el mismo lugar y vibran escasamente respecto de un punto fijo se denomina A. sólido. B. líquido. C. plasma. D. condensado Bose-Einstein. 3 ¿Cuáles son ejemplos de mezclas? A. Plata y cobre. B. Acero y agua de mar. C. Platino y sal de mesa. D. Aluminio y bicarbonato de sodio. 118 Unidad 4 • La materia

4 Analice la secuencia de imágenes acerca de un método de separación de mezclas. ¿Cuál es el nombre del método ilustrado? A. Filtración. B. Decantación. C. Evaporación. D. Atracción magnética. Realice las siguientes actividades: 5 Defina, con sus propias palabras, el concepto de “materia”. 6 Complete el cuadro. Algunos estados de agregación de la materia Estado Volumen Forma Ejemplo Definido Líquido Indefinida © Eje temático II • Uso sostenible de la energía y los materiales 119

¿Qué propiedades presenta la materia? La materia es todo lo que ocupa un lugar en el espacio y tiene masa. Todos los cuerpos están formados por materia. La materia tiene las siguientes características: • Es discontinua. Está formada por pequeñas partículas (átomos o moléculas), entre las cuales existe un espacio vacío. • Las partículas se encuentran en constante movimiento. Se mueven al azar y en todas las direcciones. Algunas lo hacen más rápido que otras. • Las partículas de un cuerpo se mantienen unidas por fuerzas de atracción. Esas fuerzas las sostienen. La materia de un cuerpo se puede distinguir por sus propiedades o cualidades. Existen diversos criterios para organizar las cualidades de la materia. 1. Características de la materia Propiedades de la materia según diferentes criterios Criterio Clasificación Características Según dependan o no de la cantidad de materia Propiedades extensivas Dependen de la cantidad de materia del cuerpo; por ejemplo, el volumen. Un cuerpo grande ocupa un volumen mayor que uno pequeño. Propiedades intensivas No se relacionan con la cantidad de materia del cuerpo, sino con sus propiedades internas. El punto de fusión y el punto de ebullición de 1 litro de agua son los mismos que los de 5 litros de ese líquido. Según dependan o no de la composición de la materia Propiedades generales No permiten identificar clases de materia porque son comunes a todos los cuerpos. Algunas propiedades generales son: – Masa. Cantidad de materia que posee un cuerpo. Es independiente del lugar en donde el cuerpo se encuentre. – Peso. Producto de la masa de un cuerpo y la aceleración de la gravedad del astro en el que se encuentra. – Impenetrabilidad. Espacio que ocupa un cuerpo y que no puede ocupar otro al mismo tiempo. Propiedades específicas o intrínsecas Revelan la naturaleza de la materia; permiten diferenciar un cuerpo de otro. El sabor es un ejemplo de propiedad específica; así, se puede afirmar que el chocolate puro es amargo, mientras que un limón es ácido. Glosario aceleración. Magnitud que expresa la variación de la velocidad por unidad de tiempo. gravedad. Fuerza de atracción que ejerce un astro sobre un cuerpo que se encuentra en su superficie. Varía de un cuerpo celeste a otro y según la distancia del cuerpo al centro de gravedad. 120 Unidad 4 • La materia

Indicadores de evaluación Describe las propiedades de la materia. Reconoce algunas propiedades físicas de la materia. Otra forma de clasificar las características de la materia es en propiedades físicas y propiedades químicas. Propiedades físicas de la materia Las propiedades físicas de la materia son las características de una sustancia que se pueden medir u observar sin que su composición cambie. Las propiedades generales son características físicas de la materia; otros ejemplos son: D Algunas sustancias, como la miel, fluyen con más dificultad que otras; la resistencia a fluir es una propiedad física denominada viscosidad. D Algunos cuerpos mantienen la forma adquirida luego de ser deformados; esta propiedad física es conocida como plasticidad, y es opuesta a la elasticidad. Solubilidad Capacidad de una sustancia de disolverse en un líquido, a una temperatura determinada. Punto de ebullición Temperatura a la que una sustancia pasa del estado líquido al estado gaseoso. Por ejemplo, al nivel del mar, el punto de ebullición del agua es 100 °C, y el del alcohol etílico es 78,4 ºC. Volumen Cantidad de espacio que ocupa un cuerpo; por ejemplo, un lápiz de color de 1,75 g ocupa un espacio de 2,5 cm3 . Densidad Relación entre la cantidad de masa y el volumen de un cuerpo. Por ejemplo, la densidad del agua es 1 g/cm3 ; es decir, 1 gramo de agua ocupa un centímetro cúbico. Estados de agregación Ordenamiento de las partículas que conforman un cuerpo. Depende de la cantidad de energía cinética que poseen esas partículas. Según su estado de agregación, los cuerpos se pueden clasificar en sólidos, líquidos y gases. Características organolépticas Sensaciones percibidas a través de los sentidos. Por ejemplo, el color, el olor, el sabor y la textura. Fragilidad Tendencia de algunos cuerpos a romperse o fracturarse. Algunos materiales, como el vidrio y la cerámica, son frágiles; otros, como el plástico, no tanto. Punto de fusión Temperatura a la que una sustancia pasa del estado sólido al estado líquido. Cada sustancia posee un punto de fusión específico. Dureza Resistencia que oponen las sustancias a ser rayadas. Se mide mediante la escala de Mohs, que va de 1 hasta 10. Por ejemplo, el talco tiene dureza 1, y el diamante, dureza 10. © Eje temático II • Uso sostenible de la energía y los materiales 121

Propiedades químicas de la materia Las propiedades químicas son observables únicamente cuando ocurren cambios en la composición de una sustancia. Describen el comportamiento de las sustancias cuando entran en contacto con otras. Algunas propiedades químicas son la inflamabilidad, la reactividad y la capacidad de oxidación. 1. Características de la materia + informados Uno de los ejemplos más comunes de corrosión es la oxidación del hierro, que ocurre cuando su superficie queda en contacto con el aire por un tiempo prolongado y se forma un óxido llamado herrumbre u óxido de hierro. Para evitar la corrosión del hierro, se utilizan recubrimientos anticorrosivos, como pinturas, o técnicas como la galvanización en caliente, que consiste en cubrir el hierro con un metal fundido resistente a la oxidación. También se crean aleaciones como el acero inoxidable, que consiste en la mezcla de hierro con carbono y otro metal, como el cromo. Cuando el cromo se oxida forma una capa impermeable de óxido de cromo sobre la superficie de la aleación; esta la protege de la corrosión. Inflamabilidad Capacidad de arder que posee un material. Por ejemplo, los combustibles reciben ese nombre porque, en ciertas condiciones, experimentan combustión; es decir, arden y producen calor. Reactividad Facilidad que tienen algunas sustancias de combinarse con otras para formar sustancias nuevas; por ejemplo, si se introduce una barra de zinc en una sustancia llamada sulfato de cobre, se originará cobre metálico. Capacidad de oxidación Posibilidad de una sustancia de modificarse cuando entra en contacto con el oxígeno. Si la oxidación le ocurre a un metal puro, se habla de corrosión. Por ejemplo, al hierro se le formará un óxido como una capa de un polvo rojizo. Algunas sustancias son más resistentes a la oxidación que otras. Por ello, metales como el platino y la plata se emplean para la elaboración de adornos, pues no se oxidan fácilmente. 122 Unidad 4 • La materia

El punto de fusión determina la escogencia de los materiales empleados en la construcción para evitar que se fundan en caso de incendio. Además, hace posible saber a qué temperatura se deben fundir los materiales para fabricar diferentes objetos. La capacidad de oxidación de algunos metales se toma en cuenta para la elaboración de ciertos objetos. Por ejemplo, con la plata y el acero inoxidable se elabora joyería y cubiertos, pues estos metales no se oxidan fácilmente. Las propiedades de la materia en la vida cotidiana El conocimiento de características como el punto de fusión, la capacidad de oxidación, la inflamabilidad y la fragilidad es la base del uso de los materiales en diferentes campos. Indicadores de evaluación Define el concepto de propiedad química de la materia. Describe algunas aplicaciones de las propiedades de la materia. Taller de ciencias: Distinguir propiedades de distintos materiales 1. Consiga una probeta de 100 ml (o una botella de plástico vacía), alcohol, colorante, agua, aceite, corcho y una piedra que pueda introducirse en la probeta. 2. Agregue 20 ml de aceite a la probeta. 3. Vierta unas gotas de colorante sobre el aceite. 4. Incline la probeta (o botella) mientras añade 20 ml de alcohol. 5. Coloque la piedra y el corcho dentro de la probeta. 6. Mueva la probeta y observe lo que sucede. Dibuje lo que sucede y señale la posición de cada uno de los materiales utilizados luego de realizada la experiencia. 7. Dibuje en su cuaderno cada uno de los materiales empleados en el taller y mencione qué propiedades generales y específicas tiene cada uno. Procedimiento Objetivo K Describir algunas propiedades de la materia. 8. Responda las siguientes preguntas: a. ¿Qué propiedad de la materia explica que no se mezclen todos los materiales empleados? b. ¿Los sólidos son más densos que los líquidos? c. ¿Todos los sólidos tienen la misma densidad? ¿Qué sucedió con los líquidos que se añadieron a la mezcla? Análisis y conclusiones Existen materiales sintéticos como plásticos con elevado punto de fusión, no frágiles y de poca reactividad. Debido a estas propiedades, una vez desechados pueden permanecer en el ambiente por cientos de años sin descomponerse. – Cite un material amigable con el ambiente que se podría utilizar para sustituir los siguientes objetos de un solo uso: bolsa plástica, vaso desechable, tenedor de plástico. – ¿En qué beneficia al ambiente conocer las propiedades de los materiales usados con frecuencia? Actúe localmente piense globalmente © Eje temático II • Uso sostenible de la energía y los materiales 123

Las propiedades de los materiales también posibilitan su adecuado manejo; por ejemplo: • El olor y el sabor de una sustancia la distinguen de otras. Así, el olor y el sabor de la sal la diferencian del bicarbonato de sodio. • En las industrias que usan materiales inflamables, se establecen normas de seguridad para su manipulación y almacenamiento. • La fragilidad de algunos materiales, como el vidrio y la cerámica, obliga a las personas a manipularlos con cuidado para evitar quebrarlos. 1. Características de la materia La combustión de la materia se aprovecha para producir energía eléctrica y en el funcionamiento de muchos motores. En la elaboración de artículos como ropa de niños, equipo de bomberos y recubrimiento de paredes, entre otros, se emplean materiales no inflamables. La fragilidad y la dureza se toman en consideración al elegir los materiales utilizados para crear determinados productos. Por ejemplo, el plástico, por ser resistente y duradero, se usa en la elaboración de muchos objetos, como recipientes, computadoras y reproductores de música, entre otros. Actividades Evaluación formativa 1. Elabore una lista de materiales empleados en la cocina de su hogar. a. Describa las propiedades que los distinguen. b. Mencione el uso de cada material y cite una función para la que no sería adecuado, según sus propiedades. Resumen de conceptos • La materia de un cuerpo se puede distinguir por sus propiedades o cualidades. Existen diversos criterios para clasificar las cualidades de la materia. • Las propiedades extensivas son las que dependen de la cantidad de materia de un cuerpo. Las propiedades que no se relacionan con la cantidad de materia de un cuerpo, sino con sus propiedades internas, se llaman intensivas. • Las propiedades generales de la materia no permiten identificar clases de materia, mientras que las propiedades específicas sí revelan la naturaleza de la materia. • Las propiedades físicas de una sustancia se pueden medir u observar sin que cambie su composición. Las propiedades químicas son observables únicamente cuando ocurren cambios en la composición de una sustancia. • Algunas propiedades físicas son la solubilidad, las características organolépticas, el volumen, el punto de fusión, el punto de ebullición, la fragilidad, la densidad, la dureza y los estados de agregación. • Algunas propiedades químicas son la inflamabilidad, la reactividad y la capacidad de oxidación. • El conocimiento de las propiedades de los materiales permite su aplicación en distintos campos y su adecuado manejo. 124 Unidad 4 • La materia

Actividades de cierre 1. Comente en qué se diferencian las propiedades generales y específicas de la materia. 2. Cite la propiedad química o física a la que se refiere cada afirmación. El cobre expuesto al aire se oxida. El cloro es un gas de color verde. El vidrio se quiebra fácilmente. La madera arde en contacto con el fuego. La arena se siente granulosa al tacto. El sodio se hace líquido a 98 ºC. 3. Mencione dos propiedades que permitan diferenciar los siguientes tipos de materia: Acero y madera Sal y aceite Vidrio y plástico 4. Analice las propiedades del material de la fotografía y realice las actividades. • Es un sólido. • Es de color plateado. • Su punto de fusión es 660 °C. • Es buen conductor de electricidad. • Reacciona con ácidos y produce hidrógeno en estado gaseoso. a. Subraye de rojo las propiedades químicas y de azul las propiedades físicas. b. Comente por qué cree que es beneficioso para el ser humano describir las propiedades de ese material. © Eje temático II • Uso sostenible de la energía y los materiales 125

Cambios de la materia La materia se encuentra en constante transformación, lo cual se evidencia en diversas situaciones de la vida cotidiana. Observe las siguientes imágenes: 2. La materia se transforma Dato Para abordar el trabajo de este contenido, es importante que sepa: N Reconocer que la materia está formada por partículas. N Reconocer los cambios de estado de la materia. D Cuando el hielo se derrite por el aumento de la temperatura, ocurre un cambio físico. ¿Qué cambios se dan en cada una de las situaciones? Después de que han ocurrido estos cambios, ¿se puede volver al estado inicial? Todos los cambios o transformaciones que experimenta la materia son procesos físicos o químicos. Cambios físicos de la materia Los cambios físicos de la materia modifican algunas de sus propiedades, pero no su composición. Únicamente alteran la apariencia de las sustancias; cuando ocurren, no se forman nuevas sustancias. Por ejemplo, la evaporación del agua es un cambio físico. Cuando el agua se evapora, cambia del estado líquido al gaseoso, pero su composición no se altera; sigue siendo agua. Por lo general, los cambios físicos son un proceso reversible; es decir, los cuerpos pueden regresar a su estado anterior mediante otros cambios físicos. Así, cuando un helado se derrite, bastará con meterlo al congelador para que recupere su estado sólido. Durante las transformaciones físicas, la masa se conserva, es decir, no varía después del cambio. Por ejemplo, si un kilogramo de hielo se convierte en agua líquida, habrá al final la misma masa de agua. Sin embargo, el volumen no siempre se mantiene. En este caso, el volumen de hielo es mayor que el del agua líquida. 126 Unidad 4 • La materia

Actividades Evaluación formativa 1. Explique en qué consiste un cambio físico de la materia. 2. Cite el cambio físico que se produce en cada situación. Indicador de evaluación Explica el comportamiento de las sustancias en los cambios físicos. Algunos cambios físicos son la deformación, la dilatación, la contracción, la fragmentación y las variaciones de estado de agregación de la materia. Deformación Dilatación Contracción Consiste en el cambio de forma de un cuerpo debido a la aplicación de una fuerza externa sobre él. La deformación depende de la intensidad de la fuerza aplicada, la superficie sobre la cual se ejerce la fuerza y las características del objeto al que se le aplica la fuerza. Los materiales capaces de recuperar su forma original al cesar la fuerza que los deforma se denominan elásticos; los que no vuelven a su forma original se llaman inelásticos. Es el aumento en el volumen de un cuerpo. Dicho fenómeno se da cuando los materiales ganan calor. Las partículas que los forman se mueven más rápido y se alejan unas de otras. En general, los gases se expanden más que los líquidos y estos más que los sólidos. El agua, sin embargo, se dilata cuando pierde calor; es decir, cuando se enfría. La dilatación y la contracción son procesos contrarios. La disminución en el volumen de un cuerpo se conoce como contracción. Ocurre cuando los materiales pierden calor; es decir, cuando se exponen a enfriamiento. Sus partículas se mueven con mayor lentitud. Esto hace que se acerquen más unas a otras. La mayoría de los materiales se contrae cuando se enfría; por ejemplo, la madera y el hierro. El agua es un caso particular: se contrae cuando gana calor. Fragmentación Cambio de estado Es la ruptura de un objeto cuando se corta, se divide o se parte; por ejemplo, al quebrar un vidrio o al cortar un hilo de cobre. Es la transformación física en la que una sustancia pasa de un estado de agregación a otro, por ejemplo de líquido a gas. Los factores que determinan los cambios de estado son: – Temperatura. Cuando la temperatura sube, la cantidad de energía cinética de las partículas aumenta; si la temperatura disminuye, la energía cinética de sus partículas también disminuye. – Presión. El estado de una sustancia podría cambiarse si se le somete a grandes cambios de presión, aunque no se modifique su temperatura. Por ejemplo, un gas puede pasar a estado líquido si sobre él se aplica una gran presión. © Eje temático II • Uso sostenible de la energía y los materiales 127

Cambios químicos de la materia Los cambios químicos son alteraciones que experimentan las sustancias en su estructura interna. En estos cambios aparecen nuevas sustancias con propiedades muy distintas. Por ejemplo, la combustión de la madera genera dióxido de carbono, agua y cenizas, además de liberar energía en forma de luz y calor. Los cambios químicos corresponden a procesos irreversibles, en los cuales no se puede regresar al estado inicial, ya que la composición interna de las sustancias se ha transformado. En las transformaciones químicas ocurren reacciones químicas. Una reacción química se define como un proceso mediante el cual una o más sustancias, denominadas reactantes, se transforman para dar lugar a sustancias diferentes, llamadas productos. Durante las reacciones se rompen enlaces químicos; es decir, las uniones que hay entre los átomos de los reactantes, y se forman nuevos enlaces que dan origen a los productos; es decir, los átomos se reordenan sin perder su cantidad e identidad. En consecuencia, la masa permanece constante. Cuando suceden reacciones químicas, muchas veces estas se evidencian por los cambios físicos en la materia, que, por lo general, indican la formación de un nuevo compuesto; por ejemplo: • Formación de precipitado. Un precipitado es un residuo sólido insoluble que se forma durante una reacción química; puede ser incoloro o tener alguna coloración. • Cambio de color. El color es una propiedad de la materia muy fácil de reconocer en un laboratorio. Los cambios en la coloración indican, generalmente, que ha ocurrido o que se está produciendo una reacción química. • Cambio de temperatura. Durante una reacción química se pueden evidenciar dos fenómenos relacionados con la temperatura. El primero, cuando en la reacción ocurre una liberación de energía y, por consiguiente, hay un aumento en la temperatura. El segundo, cuando se produce una absorción de energía, que se manifiesta mediante el descenso de la temperatura. • Desprendimiento de gases. Cuando en una reacción se forma un producto en estado gaseoso, el desprendimiento de los gases a temperatura ambiente evidencia que la reacción ha ocurrido o está en proceso, y que se está formando una nueva sustancia gaseosa. 2. La materia se transforma D El químico francés Antoine-Laurent de Lavoisier (1743-1794) enunció la ley de la conservación de la materia, que explica que en cualquier reacción química la masa permanece constante, ya que los átomos solo se reordenan. Actividades Evaluación formativa 1. Mencione dos características de los cambios químicos de la materia. 2. Cite cuál es la evidencia de que está ocurriendo un cambio químico en cada situación. 128 Unidad 4 • La materia

Indicadores de evaluación Explica el comportamiento de las sustancias en los cambios químicos. Reconoce algunos cambios físicos y químicos que ocurren en su entorno. Cambios físicos y químicos en el entorno Aunque no lo note, en la vida cotidiana continuamente se llevan a cabo muchos cambios físicos y químicos de la materia. Los siguientes son ejemplos de estas transformaciones: • Formación de rocas minerales. Muchos minerales se forman en los cuerpos de agua; por ejemplo, cuando el agua se calienta en la orilla del mar, se evapora y quedan los cristales de sal. Otros se originan bajo tierra: la lava del interior del planeta, al llegar a la superficie en una erupción se solidifica, formando rocas compuestas por minerales como el cuarzo y la mica. • Producción de materiales para la industria del deporte. Los fabricantes de ropa, zapatos e implementos deportivos constantemente desarrollan productos nuevos con el propósito de garantizar la comodidad de los deportistas. Muchos de ellos se elaboran con fibras sintéticas que se obtienen por medio de reacciones químicas que permiten la combinación de moléculas para formar nuevas moléculas con propiedades físicas y químicas particulares. Luego, estas se unen en largas cadenas llamadas polímeros. • Oxidación. Las reacciones químicas de oxidación son muy frecuentes en la vida del ser humano. La oxidación es el proceso mediante el cual algunas de las sustancias que se combinan pierden electrones y otras los ganan. La siguiente tabla muestra algunos tipos de reacciones de oxidación: Tipo de reacción de oxidación Definición y características Combustión En las reacciones de combustión, un combustible reacciona con el oxígeno del aire, denominado también comburente, y produce, generalmente, dióxido de carbono y agua. La principal característica de esta reacción es que en ella se libera gran cantidad de energía en forma de luz y calor. En la naturaleza existen diversos materiales combustibles, como los derivados del petróleo, la madera, el gas natural y el carbón, entre otros. Las reacciones de combustión más comunes son la del carbón, la combustión de hidrocarburos, como el gas natural y la gasolina, y la degradación de la glucosa, que se lleva a cabo en el interior de las células de los animales. Los biocombustibles fabricados por el ser humano no contienen productos sintéticos; el material de origen biológico que contienen produce menos dióxido de carbono en la combustión que los de los hidrocarburos, por lo que son más amigables con el ambiente. Corrosión Consiste en el deterioro de los metales cuando entran en contacto con el vapor de agua presente en el aire. En ambientes cercanos al mar, la presencia de cloruro en el agua o en la niebla marina actúa como un acelerador de la corrosión. Fermentación Es una reacción de obtención de energía que se realiza, por lo general, en ausencia de oxígeno. El reactivo inicial de la reacción es la glucosa. Las levaduras que se emplean en la elaboración de pan producen etanol y dióxido de carbono como productos finales. Las bacterias que se emplean para elaborar yogur producen ácido láctico a partir de la glucosa. Glosario glucosa. Azúcar de seis carbonos. Trabaje en la siguiente dirección electrónica: www.santillana.cr/OD/corrosionC7 – Mencione los factores que influyen en la corrosión atmosférica. Puente con las TIC © Eje temático II • Uso sostenible de la energía y los materiales 129

• Degradación de materiales. Los residuos orgánicos como los restos de verduras, hojas de árboles y la broza del café son biodegradables; es decir, se descomponen en elementos químicos naturales en un periodo relativamente corto debido a la acción de agentes como el sol, el agua, las bacterias y los hongos. Debido a la gran cantidad de residuos sólidos, la industria ha aumentado la creación de productos a base de materiales biodegradables; por ejemplo, productos de limpieza que se descomponen sin contaminar el ambiente, suturas para cirugías que se degradan en el cuerpo y fibras textiles para ropa que se pueden convertir en compost para regenerar los suelos. Los científicos también han comprobado que ciertas bacterias y algunos hongos son capaces de degradar el plástico, al romper los enlaces entre átomos de este material, lo cual es un descubrimiento prometedor para atacar el problema de los residuos. 2. La materia se transforma La ley n.º 8839, Ley para la Gestión Integral de Residuos, establece que las municipalidades deben ofrecer los servicios de recolección de residuos en forma selectiva y centros de recuperación de materiales. – ¿Se cumple la normativa vigente en su municipalidad?; ¿por qué? Desarrollo sostenible Taller de ciencias: Reconocer cambios químicos y físicos 1. Vierta agua en los dos vasos. 2. A uno de los vasos agréguele una cucharadita de azúcar y revuelva; al otro añádale la pastilla efervescente y observe. Procedimiento Objetivo K Analizar evidencias de un cambio químico y conocer sus características. Para ello, debe conseguir dos vasos, una cuchara pequeña, agua, azúcar y una pastilla efervescente. 3. Resuelva las siguientes actividades: a. Describa. ¿Qué sucedió en la situación 1? ¿Qué ocurrió en la situación 2? b. Explique. ¿Cuál de estos cambios es de tipo químico? c. Explique. ¿Cuál de estos cambios es de tipo físico? d. Comunique sus resultados mediante un informe escrito que deberá entregar a su docente. Análisis y conclusiones Situación 1 Situación 2 130 Unidad 4 • La materia

Resumen de conceptos • La materia se encuentra en constante transformación; estas transformaciones o cambios pueden ser procesos reversibles (cambios físicos) o procesos irreversibles (cambios químicos). • Los cambios físicos de la materia modifican algunas propiedades de la materia, pero no su composición. Por lo general, son procesos reversibles. Durante las transformaciones físicas se conserva la masa. • La deformación, la dilatación, la contracción, la fragmentación y las variaciones de estado de agregación de la materia son cambios físicos. • En las transformaciones químicas se producen reacciones químicas; es decir, procesos mediante los cuales una o más sustancias, denominadas reactantes, se transforman para dar lugar a sustancias diferentes, llamadas productos. • La formación de un precipitado, el desprendimiento de gases y los cambios de color y de temperatura son evidencias de que ha ocurrido una reacción química. • En la vida cotidiana constantemente se producen cambios físicos y químicos, ya sea de manera natural o llevados a cabo en la industria para la obtención de diversos productos. • Las reacciones de oxidación son muy frecuentes. La combustión, la corrosión y la fermentación son ejemplos de este tipo de transformaciones químicas. • El uso de materiales biodegradables en la industria mitiga el problema de la gran cantidad de residuos sólidos. Actividades de cierre 1. Elabore un mapa conceptual acerca de los cambios de la materia. 2. Mencione si el cambio que sugiere la imagen es físico o químico. 3. Analice. Se vertieron en cada uno de dos recipientes 200 ml de agua. Uno se puso a calentar sobre un mechero y al otro se le añadió un trozo de calcio; en este último se producen burbujas y un precipitado blanco al cabo de unos segundos. a. ¿En cuál de las dos situaciones se produce un cambio químico? Explique. b. ¿Es posible recuperar el agua en su estado inicial en alguna de las dos situaciones? Justifique. © Eje temático II • Uso sostenible de la energía y los materiales 131

3. Estados de agregación de la materia ¿Cuáles son los estados de agregación de la materia? El ordenamiento de las partículas que forman un cuerpo se llama estado de agregación. Este depende de la cantidad de energía cinética de esas partículas, así como de las fuerzas de atracción y de repulsión entre ellas. Las fuerzas de atracción son aquellas con las que las partículas se atraen unas a otras y tienden a mantenerse unidas, sin formar enlaces químicos. Las fuerzas con las que las partículas se repelen unas a otras y tienden a alejarse entre sí se conocen como de repulsión. El estado de agregación es una propiedad física de la materia. Esta característica no permite distinguir un tipo de materia de otras; es decir, es una propiedad general y depende de la temperatura de los cuerpos. Los estados de agregación de la materia son sólido, líquido, gas, plasma y condensado de Bose-Einstein. + informados Las propiedades de los distintos estados de agregación se explican mediante la teoría cinética. Esta teoría fue desarrollada por James C. Maxwell (1831-1879) y Ludwig E. Boltzmann (1844-1906) y afirma que la materia está formada por partículas que se hallan más o menos unidas dependiendo del estado de agregación en que se encuentre un cuerpo. Además, las partículas se mueven más o menos libremente dependiendo de su estado. Cuanto más rápido se mueven, mayor es la temperatura de la sustancia. Dato Para abordar el trabajo de estos contenidos es importante que sepa: N Explicar el concepto de ”energía cinética”. Sólido Sus partículas se mantienen en el mismo lugar; vibran escasamente respecto a un punto fijo, pues poseen poca energía cinética. Las fuerzas de atracción entre ellas son muy intensas y las de repulsión son muy débiles. Los sólidos poseen forma y volumen definidos. Son incompresibles (no se pueden comprimir). Líquido Sus partículas tienen más energía cinética que las de los sólidos. Las fuerzas de atracción entre ellas no son tan intensas como en los sólidos y les permiten moverse sin separarse. Las fuerzas de repulsión son iguales a las de atracción. Por eso, los líquidos fluyen. Además, son incompresibles, carecen de forma definida y adoptan la del recipiente que los contiene. Gas Sus partículas poseen mayor energía cinética que las de los líquidos. Están bastante alejadas unas de otras. Las fuerzas de atracción entre ellas son muy débiles y las de repulsión bastante intensas. Los gases carecen de forma y de volumen definidos. Se expanden y tienden a ocupar todo el volumen del recipiente que los contiene. Son compresibles (se pueden comprimir). 132 Unidad 4 • La materia

Indicador de evaluación Caracteriza los estados de agregación de la materia. Actividades Evaluación formativa 1. Mencione el estado de agregación que representan las partículas de las ilustraciones. a. Describa cómo son las fuerzas de atracción y de repulsión en cada caso. 2. Describa la diferencia entre la energía cinética de las partículas del plasma y del sólido. Plasma Las fuerzas de repulsión entre sus partículas son extremadamente intensas. Las partículas poseen tanta energía cinética que los choques entre ellas hacen que los electrones y los núcleos de sus átomos se separen. Esto ocurre cuando las sustancias se someten a temperaturas altísimas; por ejemplo, en las estrellas. Condensado de Bose-Einstein Se consigue cuando la materia alcanza la temperatura mínima posible, cercana al cero absoluto (–273,5 °C o 0 K). Las partículas del material tienen un nivel de mínima energía, denominado estado fundamental; las fuerzas de repulsión son mínimas. No aparece en ningún material en forma natural. El condensado Bose-Einstein fue predicho en 1924 por Nath Bose y Albert Einstein. Sin embargo, no fue hasta 1995 cuando Eric Cornell, Carl Wieman y Wolfgang Ketterle lo obtuvieron por primera vez en el laboratorio. Gracias a este hecho, recibieron el Premio Nobel de Física en el año 2001. Puente con historia © Eje temático II • Uso sostenible de la energía y los materiales 133

Cambios de estado La transformación por la que una sustancia pasa de un estado de agregación a otro (por ejemplo, de líquido a gas) se conoce como cambio de estado de agregación. En este tipo de transformaciones se modifica la apariencia de las sustancias, pero no su composición. Los cambios de agregación están determinados por la temperatura y la presión. Cuando la temperatura aumenta, la cantidad de energía cinética de las partículas de un cuerpo aumenta; si la temperatura disminuye, la energía cinética de las partículas también disminuye. Por ejemplo, el agua líquida se convierte en vapor si se calienta a más de 100 ºC. El estado de una sustancia también puede variar si se le somete a grandes cambios de presión, aunque no se modifique su temperatura. Por ejemplo, un gas puede pasar al estado líquido si sobre él se aplica una gran presión. Los cambios de estado son reversibles; es decir, se pueden generar tanto en un sentido como en el opuesto. Por ejemplo, cuando se enfría agua en una nevera hasta 0 ºC, esta se convierte en hielo (agua sólida). Si el hielo se saca del refrigerador, se transforma de nuevo en agua líquida. Durante un cambio de estado, la temperatura permanece constante. Por ejemplo, el punto de fusión del hierro es 1538 ºC. Cuando un objeto de hierro se calienta hasta esa temperatura, pasa al estado líquido. La temperatura del cuerpo no aumenta hasta que todo el sólido se haya fundido. El calor suministrado se invierte en realizar el cambio de estado y no en elevar la temperatura. Las siguientes gráficas muestran la variación de la temperatura durante los cambios de estado: Cuando un cuerpo experimenta un cambio de estado absorbe energía calórica, o bien, la pierde. Según este criterio, existen dos tipos de cambios de estado de agregación: los progresivos y los regresivos. Los cambios de estado progresivos ocurren cuando un cuerpo absorbe calor. Son la fusión, la sublimación progresiva y la vaporización. D Temperatura de una sustancia pura a medida que se calienta. D Temperatura de una sustancia pura a medida que se produce el enfriamiento. Sólido/líquido Líquido/Gas Sólido Líquido T (ºC) Gas T (ºC) Líquido/sólido Gas/líquido Sólido Líquido Gas 3. Estados de agregación de la materia Glosario presión. Cantidad de fuerza aplicada por unidad de área. En el SI se mide en pascales (Pa). 1 Pa = N m2 . También se mide en “atmósferas” (atm). 1 atm equivale a la presión que ejerce la atmósfera terrestre a nivel del mar. 134 Unidad 4 • La materia

Fusión. Las partículas de un sólido adquieren más energía cinética y alcanzan el estado líquido. Vaporización. Las partículas del líquido adquieren más energía cinética y se mueven a mayor velocidad. Esto hace que el cuerpo se convierta en gas. Sublimación progresiva. Las partículas del sólido adquieren tal cantidad de energía cinética que se mueven a mucha mayor velocidad. Debido a esto, el cuerpo pasa al estado gaseoso. Condensación. Al descender la temperatura, las partículas del gas pierden energía cinética; por eso, el cuerpo alcanza el estado líquido. Cambios progresivos Cambios regresivos La vaporización puede ocurrir de dos formas: • Evaporación. Solo las partículas de la superficie del líquido alcanzan la energía cinética necesaria para pasar al estado gaseoso. • Ebullición. Todas las partículas del líquido, incluso las del interior, adquieren la temperatura necesaria para cambiar de estado. Los cambios de estado regresivos se producen cuando un cuerpo pierde calor. Son la solidificación, la condensación y la sublimación inversa. Indicador de evaluación Analiza los cambios de estado de agregación de la materia. Solidificación. La disminución de la temperatura del líquido hace que las partículas pierdan energía cinética y adquieran el orden característico de los sólidos. Sublimación inversa o regresiva. Las partículas del gas pierden tanta energía cinética que dejan de moverse; por eso, el cuerpo pasa al estado sólido. © Eje temático II • Uso sostenible de la energía y los materiales 135

Los cambios de estado en la vida cotidiana En la naturaleza suceden muchos cambios de estado; por ejemplo, en el ciclo hidrológico el agua está presente en sus tres estados de agregación. Este proceso permite la purificación del agua de manera natural: algunas sustancias disueltas se eliminan del agua cuando esta se evapora. Al precipitar, el agua de lluvia se filtra a través de arena y rocas, donde quedan retenidas otras partículas. Muchos procesos biológicos dependen del estado de agregación de las sustancias que participan en ellos. Por ejemplo, los animales deben mantener un balance entre el calor que su cuerpo pierde y el que gana. Ese equilibrio se puede lograr por medio de la sudoración. El sudor expulsado, al entrar en contacto con la piel caliente, se evapora. De esta manera, el calor excedente del organismo es liberado al medio. El ser humano aprovecha los cambios de estado de la materia en diferentes campos; por ejemplo: • Purificación de compuestos. Algunos metales se obtienen al fundir minerales que los contienen; por ejemplo, el cobre se extrae cuando se funde un mineral llamado azurita. • Elaboración de artículos. Objetos como joyas y recipientes se fabrican con materiales sólidos que se funden y se vierten en moldes para darles formas específicas. 3. Estados de agregación de la materia Trabaje en la siguiente dirección electrónica: www.santillana.cr/OD/quinto_ estadoC7 – Mencione de qué manera puede aprovechar el ser humano el condensado de Bose-Einstein. Puente con las TIC Taller de ciencias: Temperatura de ebullición del agua 1. Consiga agua, un mechero Bunsen, un vaso de precipitado de 500 ml, un termómetro, una pinza de madera y un trípode. 2. Añada 300 ml de agua al vaso de precipitado de 500 ml. 3. Coloque el vaso de precipitado con agua sobre el trípode. Encienda el mechero Bunsen a fuego moderado y ubíquelo debajo del trípode. 4. Sostenga, con una pinza de madera, un termómetro de laboratorio y mida cada 30 segundos la temperatura del agua, hasta que esta comience a ebullir. 5. Elabore una tabla con los datos obtenidos durante la medición, es decir, la temperatura y el tiempo. Procedimiento Objetivo K Evidenciar la temperatura de ebullición del agua. 6. Realice un gráfico con la información de la tabla y responda las siguientes preguntas: a. ¿Cuánto tiempo tardó el agua en llegar al punto de ebullición? b. ¿Por qué la temperatura se mantiene constante cuando el agua ebulle? Explique. c. Si el mismo experimento se realizara a más de 3000 metros sobre el nivel del mar; ¿el agua ebullirá a la misma temperatura en que lo hace a nivel del mar? Investigue y fundamente. Análisis y conclusiones Precaución El mechero debe ser manipulado siempre por el docente. Al manipular agua caliente debe tener mucho cuidado, porque se puede quemar. 136 Unidad 4 • La materia

Indicador de evaluación Reconoce los cambios de estado de la materia en la vida cotidiana. Resumen de conceptos • Los estados de agregación de un cuerpo dependen de la cantidad de energía cinética de las partículas que lo forman. La materia se presenta en los estados sólido, líquido, gas o plasma. El condensado Bose-Einstein no existe de manera natural, solo se obtiene en un laboratorio. • Los cambios de estado dependen de la temperatura y la presión, y son reversibles. • Los cambios de estado en que los cuerpos absorben energía calórica son progresivos. Son la sublimación progresiva, la fusión y la vaporización. • Los cambios de estado en que los cuerpos pierden energía calórica son regresivos. Son la sublimación inversa, la condensación y la solidificación. • Fabricación de sustancias. Muchos desodorantes ambientales y los repelentes de insectos se elaboran con sustancias que se subliman fácilmente. El alcohol se obtiene mediante la vaporización y posterior condensación de ciertas sustancias. • Elaboración de alimentos. Los helados y la mantequilla, por ejemplo, se producen mediante el proceso de solidificación. Se aprovecha la evaporación del agua en la cocción de alimentos. Actividades Evaluación formativa 1. Enumere situaciones cotidianas en las que emplee los cambios de estado. 2. Explique un proceso natural en el que ocurran cambios de estado. Actividades de cierre 1. Analice la siguiente información y luego realice las actividades propuestas: Se calienta azufre (sólido a temperatura ambiente) y se obtienen los datos de la tabla. Temperatura alcanzada por el azufre en diferentes momentos Tiempo (min) Temperatura (°C) 0 23 2 53 4 83 6 115,2 8 115,2 10 115,2 12 130 a. Construya el gráfico de temperatura en función del tiempo. b. Identifique en qué estado se encontraba la sustancia en los minutos 3, 9 y 13, respectivamente. c. Deduzca qué sucedería si continuara aumentando la temperatura después del minuto 12. 2. Justifique, con una razón, la importancia de los cambios de estado de la materia para los seres vivos. © Eje temático II • Uso sostenible de la energía y los materiales 137

¿Qué aprendió? ¿Qué recuerda? Evaluación sumativa Evaluación diagnóstica ¿Cómo va? Evaluación sumativa Marque la alternativa correcta. Analice el esquema sobre los cambios de estado y realice las actividades 1, 2, 3 y 4. Estado sólido Estado líquido Estado gaseoso III. V. I. VI. IV. II. 1 ¿Cuáles números identifican los cambios de estado progresivos? A. I, II y III. B. I, IV y V. C. IV, V y VI. D. II, III y VI. 2 ¿Cuál es una característica del cambio de estado identificado con el número V? A. Las partículas del gas pierden energía cinética. B. Las partículas del gas se mueven a mayor velocidad. C. Ocurre porque la temperatura se mantiene constante. D. Sucede como consecuencia del aumento de temperatura. 3 Los cambios de estado identificados como II, III y IV se denominan, respectivamente A. fusión, vaporización y sublimación inversa. B. condensación, solidificación y fusión. C. vaporización, solidificación y fusión. D. fusión, vaporización y solidificación. 4 ¿Cuáles números identifican, respectivamente, la sublimación inversa y la sublimación progresiva? A. I y VI. B. VI y I. C. II y III. D. III y II. 138 Unidad 4 • La materia

5 Las propiedades que dependen de la cantidad de materia de un cuerpo se conocen como A. generales. B. intensivas. C. extensivas. D. específicas. 6 Lea la información sobre el hierro. III. Tiene un punto de fusión cercano a 1535 ºC. II. Se oxida al exponerse a la humedad del aire. I. Es de color gris plateado. ¿Cuáles son propiedades físicas? A. I y II. B. I y III. C. II y III. D. Solo la II. 7 Lea el texto sobre una sustancia química. El hidrógeno arde a temperatura ambiente en contacto con el oxígeno del aire. ¿A cuál propiedad de la materia se refiere el texto? A. Dureza. B. Solubilidad. C. Reactividad. D. Inflamabilidad. 8 Dos ejemplos de propiedades específicas de la materia se denominan A. peso y masa. B. sabor y color. C. masa y volumen. D. punto de ebullición y volumen. Realice las siguientes actividades: 9 Escriba dos ejemplos de cambios químicos que ocurren en su entorno. 10 Describa dos aplicaciones de los cambios físicos de la materia en la vida del ser humano. 11 Explique por qué se dice que el ciclo hidrológico contribuye a purificar el agua. © Eje temático II • Uso sostenible de la energía y los materiales 139

4. Clasificación de la materia ¿De qué manera se clasifica la materia? La materia que nos rodea es muy variada. El agua, por ejemplo, tiene propiedades muy diferentes de las del aire, las rocas o la hierba. Por esto, para facilitar su estudio, existen distintas formas de clasificarla. Una manera de clasificar la materia es según su composición. De acuerdo a este criterio, la materia puede ser: • Homogénea. Sus componentes no se distinguen a simple vista ni con el microscopio. Por ejemplo, las sustancias puras y las disoluciones. • Heterogénea. Sus componentes se pueden ver a simple vista o con un microscopio. Está formada por dos o más sustancias que no reaccionan entre sí, en proporciones variables. Por ejemplo, las mezclas heterogéneas. La materia también se puede clasificar según el estadode agregación en el que se encuentra (sólido, líquido, gaseoso o plasma) o de acuerdo a la interacción de las partículas que la forman, como se resume en el siguiente esquema: La materia Sustancias puras Mezclas puede presentarse como que pueden ser que pueden ser Sodio Cobre Sulfato de cobre Hidróxido de sodio por ejemplo por ejemplo por ejemplo por ejemplo Agua y azúcar Agua y aceite Compuestos químicos Mezclas homogéneas o disoluciones Elementos químicos Mezclas heterogéneas Actividades Evaluación formativa 1. Analice los ejemplos de mezclas que aparecen en el esquema de esta página e infiera las diferencias entre las mezclas homogéneas y las heterogéneas. 2. Comente, con el resto de la clase, cuál es la utilidad de clasificar la materia que lo rodea. 140 Unidad 4 • La materia

Sustancias puras Una sustancia pura es aquella que está constituida por átomos de igual o distinta clase, presenta una composición constante, uniforme y definida. Sus propiedades son específicas e invariables y no se descomponen en sustancias más simples por métodos físicos. Por ejemplo, al analizar distintas muestras puras de sal común, siempre se encuentran los mismos valores para propiedades como la densidad (2,16 g/cm3) y el punto de fusión (801 ºC). Algunas sustancias puras son el azúcar, la sal, el alcohol, el oro y el dióxido de carbono. Clasificación de las sustancias puras Según la composición química, las sustancias puras se clasifican en sustancias simples o elementos químicos y sustancias compuestas o compuestos químicos: • Elementos químicos. Están formados por el mismo tipo de partículas y se representan mediante un símbolo químico. No pueden descomponerse en otras sustancias más sencillas. Algunos ejemplos son el hidrógeno (H), el oxígeno (O), el sodio (Na) y el cloro (Cl). • Compuestos químicos. Están constituidos por la unión, mediante un enlace químico, de dos o más elementos en cantidades fijas y exactas. Se representan a través de las fórmulas químicas. Los compuestos químicos no se pueden separar en sus componentes por métodos físicos, pero sí a través de métodos químicos. Las características de los compuestos son muy diferentes de las de los elementos que los forman. Algunos ejemplos son la sal (NaCl) y el dióxido de carbono (CO2). E Estructura de los cristales de sal (cloruro de sodio). Átomos de sodio Átomos de cloro Indicador de evaluación Clasifica la materia en homogénea y heterogénea según sus características. Glosario enlace químico. Unión entre dos o más átomos. Se forman cuando un átomo le cede sus electrones a otro o cuando los átomos comparten electrones. fórmula química. Representación de un compuesto. Se forma por los símbolos de los elementos del compuesto. Actividades Evaluación formativa 1. Enumere las características de las sustancias puras. 2. Describa las diferencias entre los elementos y los compuestos químicos. 3. Represente, mediante ilustraciones, un elemento y un compuesto químico. + informados El agua (H2O) es una sustancia pura, no cambia su composición en sus tres estados físicos. Al pasar corriente eléctrica a través de ella, se separa en dos gases: oxígeno e hidrógeno. Este procedimiento se denomina electrólisis. Por lo tanto, el agua, que es una sustancia pura, es un compuesto porque se puede descomponer en sustancias más sencillas. Pila Hidrógeno Oxígeno © Eje temático II • Uso sostenible de la energía y los materiales 141

Mezclas En la naturaleza, la materia generalmente aparece en forma de mezclas; es muy raro encontrar sustancias puras. Las mezclas están formadas por la unión física de dos o más sustancias puras. Las mezclas se caracterizan porque: • Las sustancias que las componen conservan sus propiedades características. • Las sustancias se mezclan en cantidades variables. Es posible preparar un jugo con poca o mucha azúcar. • Los componentes se separan por métodos físicos, como la filtración, la destilación y la evaporación, entre otros. • Las mezclas no se representan mediante símbolos ni fórmulas químicas. • Las mezclas están formadas por una fase dispersante, que se encuentra en mayor proporción, y una fase dispersa, que se encuentra en menor proporción. Las mezclas se clasifican de acuerdo a la fuerza de atracción entre las partículas de las sustancias que las forman, el tamaño de las partículas de la fase dispersa de la mezcla y la uniformidad en la distribución de las partículas de ambas fases. Según estos criterios, pueden ser homogéneas o heterogéneas. Mezclas homogéneas o disoluciones Las mezclas homogéneas, también llamadas soluciones o disoluciones químicas, son aquellas en las que sus componentes se encuentran en la misma fase; las partículas de la fase dispersa son más pequeñas y se encuentran distribuidas uniformemente. De esta manera, sus componentes no son identificables a simple vista ni con un microscopio, es decir, se perciben como una sola fase; esto se debe a la fuerza de atracción que existe entre las partículas de las sustancias combinadas. En una disolución, la fase dispersante se llama disolvente o solvente, y la fase dispersa se denomina soluto. La concentración de la disolución indica la relación entre la cantidad de soluto y la de disolvente. Por ejemplo, si la concentración de una disolución de alcohol en agua es 30 por ciento, en la mezcla hay 30 ml de alcohol por cada 100 ml de agua. 4. Clasificación de la materia D Muchos gases se mezclan muy bien con los líquidos. Por ejemplo, el dióxido de carbono se disuelve en el agua de las gaseosas, y el oxígeno, en el agua de los ríos y mares. Distribución de las partículas en diferentes mezclas. ¿Puede distinguir las partículas de la fase dispersa y la fase dispersante en cada caso? Señálelas. C Mezcla homogénea Mezcla heterogénea 142 Unidad 4 • La materia

La solubilidad determina la cantidad máxima de soluto que puede disolver una sustancia, a determinada temperatura. Por ejemplo, a 25 ºC, 100 ml de agua pueden disolver 35,9 g de sal de mesa. Si se agrega más de esa cantidad, el exceso de sal no se disolverá. Clasificación de las mezclas homogéneas Las disoluciones se pueden clasificar de acuerdo a la cantidad de soluto que contienen en: soluciones insaturadas, saturadas y sobresaturadas. Indicadores de evaluación Describe las características de las mezclas homogéneas. Identifica los usos de las mezclas homogéneas en diversos campos. Soluciones saturadas Contienen la máxima cantidad de soluto que un solvente puede disolver. Una solución de 35,9 g de sal en 100 ml de agua a 25 ºC es saturada. Soluciones insaturadas o no saturadas Contienen menor cantidad de soluto de la que el disolvente puede disolver a una temperatura dada; por ejemplo, una solución que contiene 10 g de sal en 100 ml de agua a 25 ºC. Soluciones sobresaturadas La cantidad de soluto es mayor que la que el solvente puede disolver a una temperatura dada; por ejemplo, una disolución de 50 g de sal en 100 ml de agua a 25 ºC. Soluto Solvente La palabra esmog procede de los términos ingleses smoke = humo y fog = niebla. El esmog se produce cuando se liberan al aire contaminantes como el monóxido de carbono, el dióxido de azufre y los óxidos de nitrógeno, así como distintas micropartículas. Estas confieren al aire un aspecto gris y nebuloso, pues forman una solución sobresaturada. Los mayores productores de gases contaminantes son las industrias y los vehículos. – ¿Qué propondría para solucionar el problema del esmog? – ¿Qué cree que es más efectivo: crear soluciones cada año cuando aumentan los niveles de contaminación o educar a la población acerca de este problema? Yo opino que © Eje temático II • Uso sostenible de la energía y los materiales 143

Otra forma de clasificar las mezclas homogéneas es según su estado de agregación; pueden ser gaseosas, líquidas o sólidas. Como puede observar en el siguiente cuadro, el estado de agregación de una disolución es el mismo que el del disolvente: Clasificación de las disoluciones, según su estado de agregación Tipo de disolución Estado de agregación Ejemplo Disolvente Soluto Gaseosa Gas Gas Aire Líquida Líquido Gas Refresco gaseoso Líquido Alcohol en agua Sólido Agua salada Sólida Sólido Gas Aire en hielo Líquido Rellenos dentales (amalgamas) Sólido Bronce (estaño en cobre) Utilidad de las disoluciones El ser humano utiliza las disoluciones en diferentes campos; por ejemplo: 4. Clasificación de la materia Los motores de los automóviles tienen un sistema de refrigeración en cuyo interior circula un líquido denominado anticongelante. Si fuese agua, se congelaría cuando la temperatura bajase de 0 °C y se podría dañar el sistema. Para evitarlo se utilizan disoluciones de agua con sustancias como etilenglicol o glicerina en concentraciones que hacen que la disolución no se congele hasta por debajo de -30 °C. Puente con mecánica Glosario disolución acuosa. Mezcla homogénea en la que el agua es el disolvente. Medicina Disoluciones como suero fisiológico, medicamentos inyectables y jarabes se emplean en tratamientos médicos. Además, muchos instrumentos quirúrgicos están hechos de acero inoxidable (carbono y cromo disueltos en hierro). Las amalgamas son aleaciones formadas por plata, zinc, cobre y mercurio; se usaban para hacer rellenos dentales. Agricultura Algunos fertilizantes y herbicidas, suplementos vitamínicos para el ganado y otros productos que ayudan a mejorar la productividad se proporcionan a los organismos en disoluciones acuosas. Farmacología Los medicamentos, los champús, las cremas y otros productos farmacéuticos poseen sus ingredientes activos disueltos en agua, alcohol o aceite, entre otros. Esto permite que con una sustancia se puedan hacer diversos productos. Por ejemplo, el ácido salicílico se usa como ingrediente activo de la aspirina, en cremas para el acné, en champús anticaspa y en medicinas antidiarreicas. 144 Unidad 4 • La materia

Mezclas heterogéneas Las mezclas heterogéneas son aquellas en las que sus componentes se encuentran en distinta fase; las partículas de la fase dispersa son más grandes que en las soluciones y no se encuentran distribuidas de manera uniforme. Cuando sus componentes se pueden distinguir a simple vista, se dice que es una mezcla heterogénea gruesa, como en el caso del granito y una ensalada de frutas. Sin embargo, existe una gran variedad de mezclas en las cuales no es posible distinguir fácilmente sus componentes a simple vista. Cuando es preciso utilizar una lupa o un microscopio para diferenciar las partículas de los distintos componentes, se denomina mezcla heterogénea fina, como es el caso de las suspensiones y los coloides. Suspensiones Coloides Son mezclas heterogéneas en las que se aprecia con mayor claridad la separación de las fases. Por lo general, están formadas por una fase dispersa sólida, insoluble en la fase dispersante líquida, por lo cual tienen un aspecto opaco. Si se dejan en reposo, las partículas de la fase dispersa se sedimentan. Esto se debe a que, por su tamaño, las partículas de la fase dispersa caen al fondo por efecto de la gravedad. En las suspensiones el tamaño de las partículas de la fase dispersa es mayor que en las soluciones y en los coloides. El tamaño de sus partículas es mayor a 100 nm. Algunas suspensiones son el agua con arena, el fresco de cas, la pintura, el jugo de frutas y el agua con tierra. Son mezclas heterogéneas en las cuales las partículas de la fase dispersa tienen un tamaño intermedio entre las disoluciones y las suspensiones. El tamaño de las partículas de un coloide se encuentra entre 1 y 100 nm. Por tal motivo, quedan suspendidas en la fase dispersante y no se sedimentan ni se disuelven; pueden permanecer estables por largos periodos. Los coloides tienen un aspecto turbio o nuboso debido a que las partículas de la fase dispersa reflejan y dispersan la luz. Este fenómeno se conoce como efecto Tyndall. Los helados, la neblina, el agua jabonosa, la clara de huevo y la mayonesa son coloides. Agua con tierra Mantequilla D Cuando el aire posee una gran humedad o presenta partículas suspendidas, y es atravesado por un haz de luz, se observa el efecto Tyndall. D ¿En esta mezcla heterogénea observa claramente los componentes?; ¿podría mencionarlos? Indicadores de evaluación Reconoce las características de las mezclas heterogéneas. Clasifica las mezclas heterogéneas según el tamaño de sus componentes. Glosario sedimentación. Proceso por el cual el sedimento en movimiento se deposita o cae. © Eje temático II • Uso sostenible de la energía y los materiales 145

¿Sabe de qué manera diferenciar un coloide de una solución? Un coloide y una solución muchas veces se ven exactamente iguales, aunque su comportamiento físico-químico es muy diferente. Cuando un haz de luz atraviesa un coloide es dispersado por el medio, lo que hace que el rayo sea visible (efecto Tyndall). En cambio, si un haz de luz pasa a través de una solución, este no es visible. Los coloides existen en los tres estados básicos de agregación de la materia. Sin embargo, no hay coloides en los que ambas fases sean gaseosas. Según el estado de agregación de las fases dispersa y dispersante, los coloides se clasifican en emulsiones, espumas, aerosoles, geles y soles. Clasificación de los coloides Tipo Fase dispersa Fase dispersante Ejemplos Emulsión Sólida Líquido Sólido Mantequilla, queso y jalea Líquida Líquido Líquido Leche, mayonesa y aderezo para ensalada Espuma Sólida Gas Sólido Estereofón, hule y piedra pómez Líquida Gas Líquido Espuma de afeitar y crema batida Aerosol Sólido Sólido Gas Humo y neblina Líquido Líquido Gas Productos en espray y nubes Gel Sólido Líquido Clara de huevo, sangre, gelatina y gel fijador para cabello Sol Sólido Sólido Rubí, zafiro, vidrio y plástico de colores, porcelana y acero 4. Clasificación de la materia En una solución no es posible ver el haz de luz, ya que no hay partículas en suspensión. Por lo tanto, la exposición a un haz de luz se puede utilizar como método para diferenciar coloides de soluciones. El efecto Tyndall se produce cuando un haz de luz atraviesa un coloide. Las partículas suspendidas desvían la luz y se ven como pequeñísimas manchitas luminosas, lo que hace visible el rayo. 146 Unidad 4 • La materia

Taller de ciencias: Identificando mezclas 1. Consiga sal, agua, un paquete de refresco en polvo, alcohol, cucharitas, un gotero, una probeta de 50 ml, una varilla de agitación, tres tubos de ensayo con gradilla. 2. Rotule los tres tubos de ensayo como A, B y C. Luego, con la probeta, agregue en cada uno 15 ml de agua. 3. Agregue al tubo A media cucharadita de jugo en polvo; al tubo B, media cucharadita de sal, y al tubo C, 30 gotas de alcohol. 4. Utilice la varilla de agitación para formar una mezcla homogénea en cada tubo de ensayo. Tenga la precaución de lavarla al cambiar de tubo. 5. Deje reposar los tubos en la gradilla por 5 minutos y registre los resultados. Procedimiento Objetivo K Aplicar la habilidad de realizar procedimientos experimentales para reconocer mezclas. 6. Realice las siguientes actividades: a. Describa lo ocurrido al agregar las sustancias en cada tubo. b. Clasifique las mezclas que se formaron. c. Identifique el soluto y el solvente en cada solución. d. ¿Qué habría ocurrido si en vez de refresco en polvo se hubiese agregado harina en el tubo A? Infiera. e. Comunique sus resultados mediante un informe escrito que deberá entregar a su docente. Análisis y conclusiones © Eje temático II • Uso sostenible de la energía y los materiales 147

4. Clasificación de la materia Resumen de conceptos • Según su composición la materia puede ser homogénea o heterogénea. • Según la interacción de las partículas que la forman, hay sustancias puras y mezclas. • Las sustancias puras están constituidas por un solo tipo de partículas; su composición es fija y se caracterizan por una serie de propiedades específicas e invariables. Se clasifican, según su composición, en elementos y compuestos químicos. • Las mezclas se forman por la unión física de dos o más sustancias puras. De acuerdo a la fuerza de atracción entre las partículas de las sustancias que las forman, las mezclas pueden ser homogéneas (también llamadas disoluciones o soluciones) o heterogéneas. • La sustancia que se encuentra en mayor proporción en las mezclas recibe el nombre de fase dispersante, y las sustancias que se hallan en menor cantidad se conocen como fase dispersa. • En las mezclas homogéneas la fase dispersante se denomina disolvente o solvente, y la fase dispersa se llama soluto. De acuerdo a la cantidad de soluto, las disoluciones pueden ser insaturadas (no saturadas), saturadas y sobresaturadas. • Las mezclas homogéneas también se pueden clasificar de acuerdo a su estado de agregación en gaseosas, líquidas o sólidas. • Las mezclas heterogéneas pueden ser, según el tamaño de sus componentes, gruesas o finas. • Según el tamaño de partículas de la fase dispersa, las mezclas heterogéneas finas pueden ser suspensiones o coloides. Actividades de cierre 1. Elabore un cuadro comparativo acerca de las sustancias puras y las mezclas. 2. Clasifique las sustancias del cuadro. Marque con un 3 la casilla correspondiente. Elemento Compuesto Mezcla homogénea Mezcla heterogénea Bronce Diamante (carbono) Arroz con leche Dióxido de carbono Bebida energizante Lejía (hidróxido de sodio y agua) 3. Explique la diferencia entre las suspensiones y los coloides. 4. Cite dos aplicaciones de las disoluciones en la vida del ser humano. 5. Plantee una lista de sustancias puras y mezclas que existan en su hogar y compárela con las de sus compañeros. 6. Investigue cuáles sustancias constituyen la fase dispersa y cuáles la fase dispersante de los coloides del cuadro de la página 146. 148 Unidad 4 • La materia

Métodos de separación de mezclas Los componentes de una mezcla se pueden separar utilizando procedimientos físicos. El método empleado depende fundamentalmente del tamaño de las partículas y de las propiedades de las sustancias por separar. Los procedimientos de separación de mezclas heterogéneas se conocen como separación de fases; se basan en características como la densidad de las sustancias que forman la mezcla. Algunos son el tamizado, la imantación, la filtración, la decantación y la centrifugación. Los métodos de separación de mezclas homogéneas aprovechan propiedades como el punto de ebullición y la solubilidad; por ejemplo, la evaporación, la cromatografía en papel y la destilación. 5. Separación de mezclas Indicador de evaluación Analiza algunos métodos físicos de separación de los componentes de las mezclas. Imantación Se emplea para separar metales y no metales. Para ello se recurre a un campo magnético como el de un imán. Este método es muy utilizado en las industrias de reciclaje para detectar y separar los desechos que contengan hierro. Imán Tamizado Se utiliza para separar mezclas de sólidos formadas por partículas de diferentes tamaños. El instrumento empleado se denomina tamiz. Consta de un cedazo, de un recipiente y su tapa. Este método es usado; por ejemplo, en el análisis de suelos y en la industria de las harinas. El colador es un tipo de tamiz que se puede utilizar para separar mezclas de sólidos. Tamiz Filtración Se utiliza para separar mezclas de sólidos y líquidos. Este método consiste en pasar la mezcla por un filtro, material poroso de papel especial que deja pasar por los poros el líquido y retiene las sustancias en estado sólido. Lo que queda en el papel filtro se denomina residuo, y el filtrado es lo que pasa a través de él. La filtración es un método muy empleado a nivel doméstico, en el laboratorio, en la industria y en el tratamiento de aguas residuales. En la imagen de la derecha, se está separando una mezcla de azufre y una solución de dicromato de cobre. Filtro Glosario metal. Elemento químico que se caracteriza por ser buen conductor del calor y de la electricidad, tener brillo y ser sólido a temperatura ambiente (a excepción del mercurio, galio, cesio y francio). no metal. Elemento químico que se caracteriza por ser mal conductor del calor y de la electricidad. © Eje temático II • Uso sostenible de la energía y los materiales 149