La reproducción parcial o total de esta pub icación, en cualquier forma que sea, por cualquier medio mecánico o electrónico, no autorizada por los editores, viola los derechos reservados. Cualquier utilización debe ser previamente solicitada.
PRESIDENTE DE LA R E P Ú B L I C A DEL ECUADOR
;
Rafael Correa Delgado MINISTRA D E E D U C A C I Ó N Gloria Vidal lllingworth
D I S T R I B U C I Ó N GRATUITA P R O H I B I D A LA V E N T A
VICEMINISTRO DE EDUCACIÓN Pablo Cevallos Estarellas
Editorial Maya E d i c i o n e s C . L t d a .
V I C E M I N I S T R A DE G E S T I Ó N EDUC Patricio Bustos P.
Mónica Franco Pombo |
SUBSECRETARIA DE FUNDAMENTOS EDUCATIVOS Susana Araujo Fiallos SUBSECRETARIO DE ADMINISTRACIÓN ESCOLAR
Coordinación editorial: Soledad Martínez Rojas
Gerardo Armendaris Gavilanes fe
Edición: J u a n Páez Salcedo
I
Corrección d e estilo: Juan Páez Salcedo, Soledad Martínez Rojas
Roberto Pazmiño Alvear Santiago Carvajal S., Marcelo G ó m e z Arroyo
DIRECTOR
I i
ilustración: Santiago Carvajal S., Jonathan Barragán B. Archivo Maya Ediciones
I
Fotografía:
NACIONAL DE CURRÍCULO Jorge Ortiz Herrera
Ministerio de Educación del Ecuador Segunda edición: enero, 2013
Francisco Carrillo A . , Stock.XCHNG® VI
N° de derecho de autor 039058, de julio 11 de 2012 ISBN: 978-9978-52-252-3
Dirección: Av. Amazonas N34-451 entre Av. Atahualpa y Juan Pablo Sanz. Impreso por: E d i t o G R A N S.A. Fecha: enero 2012
m o i i o ediciones!
Por primera vez, el Ministerio de Educación está entregando libros de texto gratuitos a los estudiantes del Bachillerato General Unificado (BGU), para ofrecerles más herramientas que les ayuden en su proceso de aprendizaje. A diferencia del bachillerato diversificado, que especializaba tempranamente a los estudiantes ya sea para ingresar a una carrera universitaria o para un puesto de trabajo específico, el BGU busca que todos los bachilleres multipliquen sus opciones futuras, preparándolos a la vez para la vida y la participación en una sociedad democrática, para el mundo laboral y del emprendimiento, y para continuar con estudios superiores. Para alcanzar estas metas, el BGU ofrece una formación generalista, integral y flexible, a través de un grupo de disciplinas centrales que todos los estudiantes deben cursar, entre las que se encuentra la de Física y Química. Esperamos que el estudio de este libro de texto motive a los estudiantes a adquirir conocimientos y a desarrollar habilidades de pensamiento, que les permitan descubrir sus potencialidades y construir proyectos de vida que contribuyan al desarrollo de una sociedad más próspera, equitativa y solidaria.
Ministerio de Educación
E
l proceso de enseñanza - aprendizaje de la Física y Química es particularmente importante en el bachillerato pues obedece a la necesidad de establecer un eslabón entre el nivel de la formación científica de carácter general básica y las exigencias del aprendizaje sistemático de la Física y la Química como disciplinas específicas. Las experiencias educativas vividas en el país sugieren lo conveniente de establecer un modelo formativo intermedio en el bachillerato, que prepare a los estudiantes para enfrentar con éxito las exigencias del aprendizaje interdisciplinario. A la Física, Química y Biología, les corresponde un ámbito importante del conocimiento científico, pues están formadas por un cuerpo organizado, coherente e integrado de conocimientos: los principios, las leyes, las teorías y los procedimientos utilizados para su construcción son el producto de un proceso de continua elaboración, siendo por tanto, susceptibles de experimentar revisiones y/o modificaciones. La Física se preocupa por comprender las propiedades, estructura y organización de la materia, así como la interacción entre las partículas fundamentales, desde luego, sin dejar de lado su preocupación por las aplicaciones en el mundo contemporáneo y su problemática. La Química estudia las sustancias que existen en nuestro planeta, sus reacciones, su estructura a nivel molecular y sus propiedades, igualmente dentro de un contexto universal. La Química está relacionada con la Física, ya que se aplica, en gran parte, las leyes de la Física
para la formación, transición y la investigación de las moléculas. La Química se apoya mucho en la Física atómica, esta relación se comprenderá mejor luego de que los estudiantes de segundo de bachillerato estudien la asignatura integrada de Física y Química, para luego analizarlo en función del ser vivo y el ambiente. El aprendizaje de la Física y Química contribuye enormemente con el desarrollo personal del estudiante, sobre todo en varias subdimensiones, la primera referida a su capacidad de pensamiento abstracto, curiosidad, creatividad y actitud crítica; mientras que la segunda se refiere al desarrollo de criterios de desempeño, relacionados con la tolerancia y respeto ante opiniones diversas, la valoración del trabajo en equipo, entre otros aspectos importantes que configuran la dimensión de socialización, importante en esta etapa del desarrollo de los estudiantes. Atendiendo a esta finalidad, la enseñanza aprendizaje de la Física y Química tiene como uno de sus principales propósitos, motivar a los estudiantes para que desarrollen su capacidad de observación sistemática de los fenómenos relacionados con estas ciencias, tanto las naturales como de los que están incorporados a la tecnología de su entorno inmediato. Se debe recalcar que para aplicar el modelo constructivista en la enseñanza de las ciencias debemos considerar tres elementos básicos; a) las situaciones problémicas susceptibles de involucrar a los estudiantes en una investigación dirigida, b) el trabajo en equipo, y c) el intercambio entre grupos y la comunidad científica.
También es importante considerar que el trabajo de investigación, como actividad curricula r, provee vivencias educativas que influyen positivamente en el proceso de aprendizaje. Mediante el desarrollo de ese trabajo los estudiantes se enfrentan a una tarea creativa, participativa y de indagación, donde demuestran cualidades de responsabilidad, curiosidad científica, razonamiento y pensamiento crítico; mecanismos propios de la gestión científica.
base de estas ciencias y de la estructura de la materia, sus estados físicos, su comportamiento y sus formas de reaccionar para originar nuevos e interesantes productos para beneficio de nuestro entorno.
Los procesos investigativos pueden realizarse sin necesidad de contar con abundantes recursos. Aún así podemos alcanzar un alto valor pedagógico que se integra con el resto de actividades didácticas y curriculares clásicas, sin olvidar que todo este conjunto permitirá conocer los aportes de grandes hombres en beneficio del resto de la humanidad.
• El calor y la temperatura: ¿Son conceptos análogos?
Las interrelaciones entre la Física y la Química, desarrolla la ciencia y la tecnología en relación directa con el ambiente; los electrones como
Las macrodestrezas que se tratan en el texto se desarrollan en seis bloques temáticos y son: • Electrones, electricidad y magnetismo.
• Los estados de la materia, propiedades y comportamiento. e
El mundo de los ácidos, bases y sales.
• Equilibrio químico y velocidad de una reacción, definiciones, factores que lo alteran. • Procesos de transferencia de electrones.
;
'
:
;
.
.
;
/
*
• cs d e l ;
• Establecer los componentes, magnitudes, unidades e instrumentos de mediada de un circuito eléctrico y un circuito magnético. Explicar el proceso electrolítico, diferenciar entre corriente continua y corriente alterna, conocer sus aplicaciones y usos. Concienciar sobre el ahorro de energía eléctrica. • Diferenciar los conceptos calor y temperatura y apreciar sus consecuencias en la materia, resolver situaciones problémicas, con orden y pulcritud, relacionadas con el entorno, mostrando un buen manejo de los principios matemáticos, físicos y químicos relacionados con ellos. • Establecer las propiedades de los estados de agregación molecular de la materia, aplicar los principios de la Teoría Cinético Molecular y leyes de los gases en situaciones problémicas cotidianas, establecer la concentración de una disolución ya sea en unidades físicas como en unidades químicas y reconocer su utilidad en el hogar y en el mundo de la medicina, agricultura, ganadería, industrias, etc. • Reconocer las propiedades de los ácidos y bases y sus formas de reaccionar, obtener sa-
a n o
les por diferentes métodos, desarrollar procesos experimentales de neutralización, resolver situaciones problémicas relacionadas con pH, determinar la razón por la que los indicadores naturales cambian de coloración en presencia de ácidos y bases, proponer costumbres saludables de vida que tiendan a disminuir los problemas de acidez tan comunes en nuestra sociedad debido al estrés. • Definir equilibrio químico y velocidad de reacción establecer los factores que los modifican, interpretar los posibles valores de Ke, explicar ¿Qué es una solución buffer o amortiguadora?, valorar lo importante del equilibrio químico en procesos industriales de actualidad. • Definir los conceptos oxidación y reducción, balancear ecuaciones iónicas y moleculares, diferenciar una celda electrolítica de una electrovoltáica, determinar sus utilidades industriales y diseñar acciones para concienciar a la comunidad sobre la importancia de no arrojar o abrir pilas y baterías usadas debido a su elevado impacto ambiental, determinar formas de procesar este tipo de materiales luego de su uso.
C L U B D E FÍSICA Y QUÍMICA D E L C O L E G I O
f 4
OBJETIVOS 1.
1
Que los estudiantes expongan sus criterios, obser-
ción científica y formulación de proyectos para
vaciones y sugerencias sobre él o los temas que
despertar en el estudiante la cualidad de ser "in-
haya enseñado el profesor(a). Se utilizará un len-
vestigador" y así prepararlo a futuro, por ejemplo,
guaje sencillo, comprensible para el alumno(a).
para el descubrimiento de nuevos medicamentos, aprovechando los recursos naturales de Ecuador,
2.
En lo posible, cada tema de la materia deberá ser
así como también capacitarles para la formulación
aplicado en beneficio de la comunidad, ya sea
de proyectos para la pequeña y mediana industria
en el cuidado y protección del medio ambiente
ecuatoriana.
así como en la prevención y tratamiento de las enfermedades.
Evaluar los inmensos recursos naturales como petróleo, plantas medicinales, riquezas del mar, para
3.
La aplicación de los temas que se estudian en
a futuro poder aprovecharlos satisfactoriamente y
Química deben estar enfocados a la investiga-
generar en el país una economía próspera.
EN GRUPOS 1.
2.
Los integrantes del club deber ser clasificados en
Los trabajos serán expuestos por cada estudiante
grupos de no más de 6 a 7 alumnos.
en forma documentada dentro del grupo.
Se tratarán de preferencia los temas que el profe-
6.
El resumen de los trabajos se entregarán al
sor(a) ha indicado en clase, sin prejuicio que se abor-
profesor(a) a fin de que le sirva como una califica-
den temas fuera del programa de Física y Química,
ción más en la materia.
pero que interese al buen vivir de la comunidad. 7. 3.
Los resúmenes serán archivados en la secretaría
Se señalará un tema no muy extenso, puesto que
del grupo: escritos, videos, maquetas, etc. Estos
la finalidad del club es comprender cada tema
servirán para presentarlos en la exposición de fin
en un ciento por ciento, ya que en ocasiones un
de año.
alumno se enferma o falta a clases o no entendió bien la explicación del profesor(a). Es un refuerzo del tema la discusión en el grupo del club.
8.
El informe contendrá conclusiones y recomendaciones con absoluta libertad del estudiante, las que serán respetadas y evaluadas, sobretodo en-
4.
El club se reunirá el momento en que el profesor(a)
caminadas al buen vivir, a la protección de la sa-
haya concluido con el estudio de un bloque cu-
lud, de la vida y del medio ambiente.
rricular, o cuando los componentes del grupo lo solicitaren.
Materiales y aparatos más comúnmente utilizados en el laboratorio
M a p a
d e c o n t e n i d o s Física y Q u í m i c a - S e g u n d o d e B a c h i l l e r a t o
Eje curricular integrador: Comprender los fenómenos físicos y químicos como procesos complementarios e integrados al mundo natural y tecnológico Eje de aprendizaje: Identificación de la evidencia necesaria en una investigación científica L O Q U E
L O Q U E 1
4
B L O Q U E
Electrones,
El calor y la
Los estados de la materia,
El mundo de los
Equilibrio químico
Procesos de
electricidad y
temperatura.
propiedades y comportamiento
ácidos, bases y
y velocidad de la
transferencia de
magnetismo
¿Son conceptos
reacción.
electrones
sales
Definiciones y
análogos?
factores que lo
1.
Flujo de electrones: Electricidad y magnetismo
1.1
La corriente eléctrica
1.2
LeydeOHM
1.3
Energía, calor y potencia eléctrica
1.4
Resistencia y circuitos eléctricos
1.5
Electrólisis
1.6
Campo magnético de una corriente eléctrica
1.7 1.8
Imanes y circuitos magnéticos Galvanómetros, amperímetros y voltímetros
2.
Calor y temperatura
3.
Los estados de la materia
4.
Ácidos, bases y sales
2.1
Dilatación de sólidos y líquidos
3.1
El estado gaseoso
4.1
Conceptos de ácidos y bases
2.2 Calorimetría, fusión y vaporización 2.3
Transmisión de calor
2.4
Termodinámica
3.1.1
Propiedades generales de los gases
3.1.2
Teoría cinético - molecular de los gases
3.1.3
Medición de la presión de los gases
3.1.4
Relación e n t r e la presión, el número de moléculas y t e m p e r a t u r a de u n gas
3.1.5 3.1.6
Gases reales
3.1.7
Contaminación a m b i e n t a l
3.2
Soluciones: c o m p o n e n t e s , tipos y propiedades
3.3
Solubilidad
3.4
Rapidez de disolución de sólidos
3.5
Soluciones: m e d i o de reacción
3.6
1.10 Autoinducción e inducción m u t u a
Concentración de las soluciones e n unidades físicas y químicas
3.7
Disoluciones e introducción a la neutralización neutralización
1.11 Corriente a l t e r n a
Reacciones de los ácidos
4.3
Reacciones de las bases o hidróxidos
4.4
Sales
4.5
Electrolitos y n o electrolitos
4.6
Disociación e ionización de los electrolitos
Leyes de los gases
Inducción electromagnética
1.9
4.2
,'J.
Equilibrio químico y velocidad de reacción
5.1
Reacción reversible
5.2
Velocidad de reacción
5.3
Equilibrio químico
5.4
Principio de Henry Le Chatelier
5.5
Factores q u e modifican la velocidad de reacción y el equilibrio
5.6
Constantes de equilibrio
4.7
Electrolitos f u e r t e s y débiles
5.7
C o n s t a n t e s de ionización
4.8
C o n s t a n t e de ionización del agua
5.I
4.9
El p o t e n c i a l hidrógeno (pH)
C o n s t a n t e del p r o d u c t o iónico del agua
5.9
C o n s t a n t e del producto de solubilidad
4.10 Neutralización 4.11 Formulación de ecuaciones iónicas
5.10 Hidrólisis 5.11 Soluciones amortiguadoras 5.12 M e c a n i s m o s de reacción
6.
Oxidación y reducción
6.1
Número o índice de oxidación
6.2
Igualación de ecuaciones por el método oxi - reducción
6.3
Serie de actividad de los m e t a l e s
6.4
Celdas electroquímicas: electrolíticas y voltaicas
CONTENIDO B l o q u e
B l o q u e
1
4
ELECTRONES, ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO
EL MUNDO DE LOS ÁCIDOS, BASES Y SALES
1
4
Ácidos, bases y sales
132
:4 42 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 -'.i 4.10 4.11
Conceptos de ácidos y bases Reacciones de los ácidos Reacciones de las bases o hidróxidos Sales Electrolitos y no electrolitos Disociación e ionización de los electrolitos Electrolitos fuertes y débiles Constante de ionización del agua El potencial hidrógeno (pH) Neutralización Formulación de ecuaciones iónicas
132 133 135 137 139 141 146 146 147 152 155
1.1 1.2 i.: 1.4 \5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11
Flujos de electrones: Electricidad y magnetismo
14
La corriente eléctrica LeydeOHM Energía, calor y potencia eléctrica Resistencia y circuitos eléctricos Electrólisis Campo magnético de una corriente eléctrica Imanes y circuitos magnéticos Galvanómetros, amperímetros y voltímetros Inducción electromagnética Autoinducción e inducción mutua Corriente alterna
16 17 19 22 26 39 41 42 44 45 46
B l o q u e
5
REACCIÓN. DEFINICIONES Y FACTOR ES QUE LO ALTERAN 2
Calor y temperatura
56
24 2.2 23 2,4
Dilatación de sólidos y líquidos Calorimetría, fusión y vaporización Transmisión de calor Termodinámica
59 60 65 66
LOS ESTADOS DE LA MATERIA, PROPIEDADES 3
Los estados de la materia
74
3.1
El estado gaseoso 3.1.1 Propiedades generales de los gases 3.12 Teoría cinético - molecular de los gases 3.1.3 Medición de la presión de los gases 3.1.4 Relación entre la presión, el número de moléculas y temperatura de un gas 3.1.5 Leyes de los gases 3.1.6 Gases reales 3.1.7 Contaminación ambiental Soluciones: componentes, tipos y propiedades Solubilidad Rapidez de disolución de sólidos Soluciones: medio de reacción Concentración de las soluciones en unidades físicas y químicas Disoluciones e introducción a la neutralización
75 76 76 77
3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7
80 85 99 100 104 106 108 109 110 122
5
Equilibrio químico y velocidad Óu
'S:
164
:
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5
Reacción reversible Velocidad de reacción Equilibrio químico Principio de Henry Le Chatelier Factores que modifican la velocidad de reacción y el equilibrio 5.6 Constantes de equilibrio 5.7 Constantes de ionización 5.8 Constante del producto iónico del agua 5.9 Constante del producto de solubilidad 5.10 Hidrólisis 5.11 Soluciones amortiguadoras 5.12 Mecanismos de reacción
164 165 168 172 173 174 175 175 175 176 178 180
PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE ELECTRONES C::::I^-:4: 6.1 6.2 6.3 6.4
. 4 444
.
188
Número o índice de oxidación 192 Igualación de ecuaciones por el método oxi - reducción 193 Serie de actividad de los metales 198 Celdas electroquímicas: electrolíticas y voltaicas....202
Hoja de respuestas Indice alfabético Bibliografía Webgrafía
211 217 219 220
CONTENIDO B l o q u e
B l o q u e
1
EL MUNDO DE LOS ÁCIDOS, BASES Y SALES
ELECTRONES, ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO 1
4
132
Flujos de electrones: '
1.1 12 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11
"
14
La corriente eléctrica LeydeOHM Energía, calor y potencia eléctrica Resistencia y circuitos eléctricos Electrólisis Campo magnético de una corriente eléctrica Imanes y circuitos magnéticos Galvanómetros, amperímetros y voltímetros Inducción electromagnética Autoinducción e inducción mutua Corriente alterna
16 17 19 22 26 39 41 42 44 45 46
2
Calor y temperatura
56
24 22 2.3 2.4
Dilatación de sólidos y líquidos Calorimetría, fusión y vaporización Transmisión de calor Termodinámica
59 60 65 66
m^m^mi
3
Los estados de la materia
74
3.1
El estado gaseoso 3.1.1 Propiedades generales de los gases 3.12 Teoría cinético - molecular de los gases 3.13 Medición de la presión de los gases 3.1.4 Relación entre la presión, el número de moléculas y temperatura de un gas 3.1.5 Leyes de los gases 3.1.6 Gases reales 3.1.7 Contaminación ambiental Soluciones: componentes, tipos y propiedades Solubilidad Rapidez de disolución de sólidos Soluciones: medio de reacción Concentración de las soluciones en unidades físicas y químicas Disoluciones e introducción a la neutralización
75 76 76 77
32 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7
Conceptos de ácidos y bases Reacciones de los ácidos 4.3 Reacciones de las bases o hidróxidos 4.4 Sales 4.5 Electrolitos y no electrolitos 4.6 Disociación e ionización de los electrolitos ¿.7 Electrolitos fuertes y débiles 4.8 Constante de ionización del agua 4.9 El potencial hidrógeno (pH) 4.10 Neutralización 4.11 Formulación de ecuaciones iónicas B l o q u e
132 133 135 137 139 141 146 146 147 152 155
5
EQUILIBRIO QUÍMICO Y VELOCIDAD DE LA REACCIÓN. DEFINICIONES Y FACTOR ES QUE LO ALTERAN
¿SON CONCEPTOS ANÁLOGOS?
35 ¿mx&z. o í 44, íimmx-
44-
80 85 99 100 104 106 108 109 110 122
5
Equilibrio químico y velocidad de reacción
5.1 5.2 53 5.4 5.5
Reacción reversible Velocidad de reacción Equilibrio químico Principio de Henry Le Chatelier Factores que modifican la velocidad de reacción y el equilibrio 5.6 Constantes de equilibrio 5.7 Constantes de ionización 5.8 Constante del producto iónico del agua 5.? Constante del producto de solubilidad 5.10 Hidrólisis 5.11 Soluciones amortiguadoras 5.12 Mecanismos de reacción
164 164 165 168 172 173 174 175 175 175 176 178 180
PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE ELECTRONES 6
Oxidación y reducción
6.1 6.2
Número o índice de oxidación 192 Igualación de ecuaciones por el método oxi - reducción 193 Serie de actividad de los metales 198 Celdas electroquímicas: electrolíticas y voltaicas....202
6.3 6.4
Hoja de respuestas Indice alfabético Bibliografía Webg rafia
188
211 217 219 220
Electrones, electricidad Y MAGNETS I MO 1
Flujos de electrones: Electricidad y magnetismo
L'
La corriente eléctrica
1.7 Imanes y circuitos magnéticos
1.2
Ley de OHM
1.8 Galvanómetros, amperímetros y voltímetros
1.3 Energía, calor y potencia eléctrica 1A
1.9 Inducción electromagnética
Resistencia y circuitos eléctricos
1.10 Autoinducción e inducción mutua
1.5 Electrólisis
1.11 Generador y motor eléctricos
1.6 Campo magnético de una corriente eléctrica
1.12 Corriente alterna
P r e g u n t a s e l
d e
b l o q u e
d i a g n ó s t i c o
q u e
v a
a
s o b r e
e s t u d i a r
¿ Q u é s a b e usted sobre las siguientes
interrogantes?
¿Cómo funciona una pila de Zinc - Carbón?
• ¿Qué es un fluido en electricidad? • ¿Una lámpara de luz será una resistencia eléctrica?
• ¿Qué es el electro magnetismo?
• ¿En qué se fundamenta el efecto Joule?
¿Cómo funciona un voltímetro?
• ¿Qué diferencia existe entre equivalente químico y equivalente electroquímico?
¿Cómo se mueven las cargas en ia corriente eléctrica alterna?
• ¿Qué es la galvanoplastia y para qué se usa en la industria?
L
S I usted no seos, con si estudio
> siguiente
bloque podré contesta/.
*
-
.
BLOQUE
i v a
BLOQUE
i
FLUJOS D E ELECTRONES: ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO
Para proceder al estudio de este bloque, es importante recordar algunos aspectos referentes al átomo y a los electrones. En el siguiente esquema se recuerda las clases de partículas que se encuentran en el átomo:
1. Partículas estables
Protón X Electrón Neutrón @
2. Partículas inestables
Positrón Neutrino Diprotón Partícula alfa Muón Pión Quartz, etc.
En la estructura del átomo se distinguen dos partes principales que son: 1. _
El núcleo. Sitio en el cual se alojan los protones y los neutrones. En el núcleo se encuentra toda la m a s a (antiguo peso atómico) del átomo (A).
2. _
La nube, corona o envoltura. Donde se encuentran los electrones en permanente dinamia con sus dos movimientos:
Loe electrones se disponen en los niveles de acuerdo a la fórmula 2 N . 2
Carga del electrón. El electrón tiene carga negativa, esto se comprobó en el experimento realizado por Crookes en los llamados Tubos de vacío donde los electrones o rayos catódicos fueron desviados en su trayectoria por los polos de un imán de acuerdo al principio de que "Cargas eléctricas del mismo signo se repelen y de diferente signo se atraen". La masa del electrón es: La masa atómica es:
6,109x 10
gramos
0,0005486 UMA.
nEl electrón pesa 1840 veces menos que un protón, es decir, prácticamente no tiene masa, sino únicamente carga. Esta la razón por que la nube no pesa nada, casi todo el peso del átomo se concentra en el núcleo. Energía del electrón. Tomando en cuenta que el núcleo del átomo se encuentra cargado positivamente, este ejerce atracción sobre los electrones. Por tanto al suprimir electrones que se mueven en el nivel uno, estos tienen menor energía que los que están en el nivel siete debido a la mayor distancia que existe entre este nivel y el núcleo, es decir, el radio atómico. 7
Mayor energía
H-ededor del núcleo. b. De rotación o spin. Sobre su propio eje, sea spin positivo o spin negativo. ^ Los movimientos de los electrones se los puede comparar a un trompo de juguete que se lo hace bailar. Para el tema que vamos a tratar, son ios electrones los que juegan un papel importantísimo por lo que recordamos que: los electrones en el átomo están situados en los llamados Niveles cuánticos, que son siete, . señalados con los números 1, 2, 3,4, 5, 6, 7. Antigua- [ mente fueron conocidos como capas u órbitas que se identificaban con las letras K, L, M, N, O, P, Q. Existen los llamados Subniveles u orbitales, indicados mediante las letras S, Px, Py, Pz. 14
Física y Química
•8
Menor energía
y
Núcleo
Los electrones que se sitúan en el último nivel de cada átomo se denominan electrones de valencia, de gran interés en los enlaces de los átomos para formar las moléculas, ELECTRICIDAD Constituye un importantísimo capítulo de la Física debido al avance que ha tenido la ciencia y la tecnología
BLOQUE 1 y su amplia aplicación. Así, la energía eléctrica se utiliza en múltiples cosas desde la parte doméstica en el hogar (iluminación, aparatos electrodomésticos, televisión, aspiradoras, cocina, etc.) hasta inmersas instalaciones industriales y de transporte.
Un chorro de agua circulando con la llave abierta de su lavabo se electricida y es atraída por la peinilla que fue frotada previamente en el cabello. Los automóviles en movimiento adquieren electricidad por el rozamiento con el aire.
_a electricidad constituye una forma especial de transmisión de energía, caracterizada por el transporte de materia mediante el movimiento de electrones del último nivel cuántico. — NATURALEZA DE LA ELECTRICIDAD .
¿Qué es el flujo eléctrico? En la antigüedad cuando la ciencia se mezclaba con el misterio, los autores Du Fay y Franklin manifestaban que "Todo cuerpo tenía un fluido que no se puede ver" y que "No tiene masa", pero sí tenía carga eléctrica, y que se podian'tVañsmitir o pasar de un cuerpo a otro. Posteriormente a este Electricidad viene de la palabra electrón que signifiA fluido se lo llamó electrones, ca ámbar que es una sustancia resinosa y gomosa, la \ misma que presenta una propiedad muy interesante j De acuerdo a la cantidad de fluido que contenía un y curiosa que consiste en poder atravesar cuerpos]- cuerpo existían tres clases de cuerpos, así: livianos cuando son frotados en un pedazo de cuero ) 1 . Cuerpos positivos. Aquellos que cuando son froo un fragmento de piel de conejo. tados adquieren carga positiva porque pierden fluido. Los siguientes ejemplos aclaran lo mencionado: 2. Cuerpos negativos. Aquellos que adquieren carga negativa ganando fluido. 3. Cargas neutras. Aquellas que mantienen constante su fluido. papelitos
papelitos
llave dé agua
(_) Frotar una regla de plástico con un pedazo de seda. La regla adquiere la carga eléctrica negativa y es capaz de atraer pedacitos de papel. 2. Frotar una peinilla seca en el cabello, adquiere la carga n e g a t i v a y j a m b i é n , puede atraer pedacitos_. de papel.
De aquí se deduce la Ley de la conservación de la carga e l é c t r i c a , que dice " L a carga eléctrica n i se crea n i s e d e s t r u y e , solo se transfiere d e u n cuerpo a otro". Esto significa que la cantidad de fluido (electrones) permanece constante. Por lo tanto, la electrización consiste en la transferencia de carga eléctrica entre dos cuerpos que se frotan y se produce el paso de electrones de un cuerpo a otro. Vale la pena aclarar con un nuevo ejemplo: Cuando dos cuerpos se frotan entre sí, uno de ellos se electriza positivamente, en tanto que el otro cuerpo se hace negativo. Fenómeno que se lo comprueba cuando se frota un agitador de vidrio con un pedazo de seda. El vidrio se electriza con carga positiva, mientras que la seda se electriza negativamente. Así, se puede afirmar, sin lugar a dudas que: C u a n d o frotamos d o s cuerpos entre sí, se produce u n a transferencia o paso de electrones de u n cuerpo al otro.
Bachillerato General Unificado
15
Se ha indicado en líneas anteriores que el cuerpo que pierde electrones se carga positivamente; mientras que el que gana se electriza negativamente.
" E l movimiento d e cargas eléctricas de un cuerpo a otro as Yk rm c o r r i s ^ H '¿kk'ñmí ;
Sentido de la corriente. Existen dos sentidos de desplazamiento de los electrones:
-2 + 4 =
a,
Sentido r e a l . Es el que se desplaza del polo negativo al polo positivo, esto es, del que tiene un mayor número de electrones libres al de menor número. Este sentido se usa en electricidad.
b.
El sentido convencional. Es contrario al anterior: va del polo positivo al negativo.
+2
se carga positivamente
-4 + 4 = 0 cuerpo neutro
- 6 + 4 = -k. se carga negativamente
Cabe señalar que en los metales, los electrones de los últimos niveles no permanecen unidos a los átomos, no están en los niveles. Por ello reciben el nombre de electrones libres.
1.1 LA CORRIENTE ELÉCTRICA Significa que "los electrones corren" Definición: Corriente eléctrica es el desplazamiento de cargas eléctricas a través de un cuerpo conductor.
e~ e~ e e~ e~ e~ e~ e~ e e~ 0-
Alambre conductor
*- e~ e~ e~ e~ e" e" —•
Fuente de electrones
Los electrones corren por el alambre
Consideremos dos cuerpos metálicos: el uno tiene un exceso de electrones libres, por lo mismo tiene carga negativa; el otro, en cambio, tiene deficiencia de electrones, por lo que tiene carga positiva. Si se unen los dos cuerpos mediante un conductor, por ejemplo, un alambre, habrá un desplazamiento de electrones del que tiene exceso de electrones al que no lo tiene,
Existen 6 e' libres, tiene carga negativa "j f5
Física y Química
Existen solo 3 e" libres
o
o
Electrones libres
Los puntos fuera de los átomos son los electrones libres (o) Son los metales los que se caracterizan por tener electrones libres, que pueden ser desplazados fácilmente. De allí que existen metales de primera ciase que tienen muchísimos electrones libres como la plata, el platino, metales de segunda y tercera clase que tienen pocos electrones libres como el plomo, el estaño. Entonces se concluye que: Todas las sustancias que poseen electrones libres, como los metales, permiten el desplazamiento de cargas eléctricas a través de ellos. Por eso se llaman "conductores de la electricidad". En el siguiente gráfico se puede observar la producción de corriente eléctrica permanente cuando se acopla un generador de corriente que origina una diferencia de cargas eléctricas por producción de electrones que no variará con el tiempo.
BLOQUE
La u n i d a d es e l O h m i o ( O ) . 1c
Lámina de plomo
I
J <-
-
A
G : generador C: conductor R: receptor
TÉRMINOS USADOS EN ELECTRICIDAD
í t
— — _
Electrones
_
lámina de cobre
i
i i
M ^
1 i
t
mm
m
mm
—
~" "~ "~
Electrones
!
»-
t !
i
1 I
Diferencia de potencial, de voltaje o de tensión ( V ) .
Es e! d e s n i v e l eléctrico q u e e x i s t e e n t r e d o s p u n t o s d e t e r m i n a d o s e n u n c i r c u i t o . La u n i d a d es e l v o l t i o . P o r e j e m p l o : e l v o l t a j e o tensión d e u n p u n t o e n e l c i r c u i t o e s d e 110 v o l t i o s ( l u z d e l a c i u d a d d e Q u i t o ) ; o t r a c o r r i e n t e t i e n e u n a tensión d e 220 v ( l l a m a d a a l t a tensión). Cantidad d e e l e c t r i c i d a d ( Q ) . C o n s t i t u y e la c a n t i d a d total d e e l e c t r o n e s q u e circula p o r u n a l a m b r e o c o n d u c t o r e n u n c i r c u i t o eléctrico.
N o t o d o s los c u e r p o s t i e n e n e l m i s m o v a l o r d e resist e n c i a ; a l c o n t r a r i o , e s t a d e p e n d e d e s u constitución atómica. P o r e j e m p l o , si se c o m b i n a n d o s c i r c u i t o s e n l o s q u e se i n t e r c a l a d o s láminas metálicas ( r e s i s t e n c i a s ) u n a d e p l o m o y o t r a d e c o b r e , se o b s e r v a q u e la lámin a d e p l o m o p r e s e n t a m a y o r r e s i s t e n c i a q u e la lámina d e cobre. Esto significa q u e los e l e c t r o n e s q u e v i e n e n d e l g e n e r a d o r a l l l e g a r a la lámina d e p l o m o , m u e s t r a n e n o r m e r e s i s t e n c i a y s a l e n d e la lámina m u y p o c o s electrones. Lo contrario sucede c u a n d o en el circuito se i n t e r p o n e u n a lámina d e c o b r e : l o s e l e c t r o n e s e n c u e n t r a n m u y poca resistencia y circulan con facilidad, s a l e n d e la lámina c o n el m i s m o número d e e l e c t r o n e s d e los q u e e n t r a n . L u e g o , los m e t a l e s p r e s e n t a n d i f e r e n t e s r e s i s t e n c i a s al p a s o d e l o s e l e c t r o n e s . El m e t a l p l o m o es u n m a l c o n d u c t o r d e l o s e l e c t r o n e s , p o r e s o s e u s a más b i e n c o m o f u s i b l e , e n c a m b i o e l c o b r e es b u e n c o n d u c t o r .
La u n i d a d es e l C u l o m b i o = 6,3 x 1 0
1 8 í
i n t e n s i d a d ( I ) . Es la c a n t i d a d d e e l e c t r i c i d a d q u e a t r a viesa u n c o n d u c t o r e n u n s e g u n d o . La u n i d a d es e l A m p e r i o ( A ) . La i n t e n s i d a d está r e l a c i o n a d a c o n la c a n t i d a d d e ce r r i e n t e y el t i e m p o . D e allí se o b t i e n e la fórmula:
-
I n t e n s i d a d (en A)
Q = Cantidad de electricidad (en Q) t= t i e m p o (segundos) R e s i s t e n c i a ( R ) . Es la d i f i c u l t a d q u e p r e s e n t a u n c u e r p o al p a s o d e la c o r r i e n t e eléctrica.
1,2 L E V D E O H M El físico alemán G e o r g e Simón O h m estableció la l e y eléctrica q u e r e l a c i o n a t r e s a s p e c t o s : i n t e n s i d a d , v o l taje y resistencia. E n u n c i a d o : En un circuito eléctrico, la intensidad de la corriente que recorre, es directamente proporcional al voltaje e inversamente proporcional a la resistencia. I - Intensidad en amperios (A)
V = Voltaje en voltios R = R e s i s t e n c i a e n o h m i o s (O) A m p e r i o Es la i n t e n s i d a d d e la c o r r i e n t e q u e c i r c u l a p o r la r e s i s t e n c i a d e u n o h m i o , c u a n d o el v o l t a j e es d e un voltio. Bachillerato GeneralUnificado
\~¡
I
BLOQUE 1
1 amperio =
Al comparar los circuitos A y B, en donde el voltaje permanece constante (6 V), la resistencia disminuye de 6 Q a 3 O; entonces se tiene que la intensidad aumenta de 1 A a 2 A:
1
A m p = Culombio x segundo I =
Ohmio. Es la resistencia que presenta u n conductor cuando por él circula una corriente de u n amperio con un voltio de potencia.
ñUU
C
Y OH
•=2A
La intensidad es inversamente proporcional a la resistencia: si la resistencia disminuye, ia intensidad aumenta permaneciendo constante el voltaje.
Voltio. Es ia fuerza electromotriz necesaria para que por la resistencia de un ohmio circule un amperio de intensidad.
ñrim^n^m
A
R
En los siguientes circuitos (A y B) calcule y explique qué ocurre con el valor de la intensidad. B
A
o¡m
J
Por lo explicado en líneas anteriores se tiene que un circuito consta de: a. b. c.
WW 4n x)¡
Un generador o batería. Una resistencia. Un amperímetro que marca la circulación de la corriente de cierta intensidad a través de una resistencia.
8V Ejercicio. Con qué intensidad circula una corriente de 45 ohmios de resistencia, si el voltaje es de 9 voltios.
Analicemos tres circuitos eléctricos A, B, C.
I- x V = 9 voltios R = 45 Ohmios R
9 voltios = 0,20 amperios 45 ohmios Si en los estados B y C se mantiene constante la resistencia 3 0 pero varía el voltaje de 6 a 12 voltios, la intensidad aumentará de 2 a 4 amperios (A). I (b) I (c) R
= 2A
12
f
E J E R C I C I O S PARA RESOLVER EN CASA
= 4A
Conclusión. Si la resistencia permanece constante, la intensidad de la corriente es directamente proporcional al voltaje. Aumenta la intensidad cuando aumenta el voltaje. Para ejemplificar la conclusión, cuando una habitación está iluminada con un foco de 110 voltios se observa una luminosidad normal. De pronto sube el voltaje a 150 V y se observa mayor intensidad, mayor claridad hasta que puede quemarse el foco, la tv o cualquier aparato electrodoméstico.
Resuelva en su cuaderno. 1.
¿Cuál es la resistencia que hay en un circuito por el que circula una corriente de 0, 5 A, con un potencial de 14 voltios?
2.
¿Con qué intensidad circula una corriente que tiene conectada una resistencia de 20 ohmios, si el voltaje es de 40 voltios?
3.
Un foco consume 0,8 A y se lo conecta a 110 voltios. ¿Cuál es la resistencia que presenta?
...
1 3
Física y Química
ém^dk
BLOQUE 1
CUESTIONARIO PARA DEMOSTRAR LO APRENDIDO Escriba la letra VoFsiconsidera
que la respuesta es verdadera o falsa
1.
El electrón tiene un solo movimiento.
2.
Cuando una peinilla seca se frota en el cabello, adquiere carga.
3.
(
(
)
6.
Es lo mismo decir tensión que voltaje.
(
)
7.
La intensidad de la corriente se mide en Culombios.
(
)
8.
La intensidad es directamente proporcional al voltaje.
(
)
9.
Los electrones libres se localizan en los niveles cuánticos. **
(
)
)
Cuando se frotan dos cuerpos se produce paso de los electrones.
4.
Una carga eléctrica se destruye.
(
)
5. Cuando un cuerpo pierde electrones, se carga negativamente.
10. Cuando los electrones se mueven el fenómeno se llama electricidad, M Cjortl vfc.
1.3 ENERGIA, CALOR Y Energía es la capacidad para realizar un trabajo Se dice que un cuerpo posee energía cuando es capaz de realizar un trabajo, como puede demostrarse con los siguientes ejemplos: 1.
Una persona amante del deporte acuático rema una canoa, pero para mover la embarcación tiene que gastar energía y así realiza el trabajo de poner en movimiento la canoa.
2.
Un levantador de pesas, para levantar pesas de 100 kilos pone en acción su energía, está realizando un trabajo. La energía le proporciona los alimentos que ingiere diariamente.
3.
citad,
to, un toro en el tentadero, cuando se lanza una piedra, cuando navega un barco. Un cuerpo en movimiento tiene energía cinética y por lo tanto puede realizar un trabajo. Energía potencial de reposo, gravitacional o de Es aquella energía almacenada que tiene un cuerpo en relación con la posición en la que se encuentra o a su composición química. Por ejemplo el agua estancada en una represa, eí agua que se encuentra en una cisterna en el décimo piso, una teja que está en el techo y un martillo levantado tienen energía potencial puesto que están en capacidad de realizar un trabajo. De acuerdo a los ejemplos citados el trabajo consiste en mover turbinas, clavar un clavo, desplazarse un cuerpo. La dinamita, la gasolina y una batería tienen energía potencial debido a la composición química.
El vapor de agua realiza un trabajo al mover una turbina gracias a la energía que posee.
Estos ejemplos permiten señalar que: entre trabajo y energía existe una relación importante. De acuerdo a la actividad, se distinguen dos clases de - energía: cinética o de movimiento y potencial o de reposo. 1.Í Energía cinética o de movimiento. Es aquella i que tiene un cuerpo o un sistema en movimiento para realizar un trabajo, por ejemplo, un torrencial aguacero, un viento fuerte, un carro en movimienBachillerato General Unificado
] 9
BLOQUE 1 Es posible que una forma de energía se transforme en otras. Por ejemplo, en una central eléctrica se tieP ne una serie de formas de energía, iniciándose desde H la potencial que es la posición del agua en lo alto del reservorio, ésta desciende por los tubos transformándose en cinética, el agua mueve las turbinas y se transforma en eléctrica y ésta puede convertirse en luz (lumínica), en térmica en los reverberos y en mecánica cuando mueve los motores. Otros ejemplos de transformaciones de energía se puede apreciar en la siguiente lista:
Otros tipos de energía son: 5 Energía radiante. Se presenta en forma de ondas que pueden ser luminosas y visibles a simple vista como la luz solar, la luz de un foco. También pueden ser invisibles como la energía de los rayos ultravioletas, rayos X. Energía t é r m i c a o calórica. Es aquella que está relacionada con la temperatura de un cuerpo. Por ejemplo, la energía que produce una cocina de gas que calienta y hierve líquidos.
Luz solar Fotosíntesis Quemar leña Producción de vapor Mover generador Encender un foco Mover una máquina de coser
(energía (energía (energía (energía (energía (energía
lumínica) química) calórica) calórica) eléctrica) lumínica)
(energía mecánica)
. . Es aquella que por efecto de ruptura o fusión de átomos se libera en forma extraordinaria. Actualmente es motivo de estudio para el provecho • Fue enunciada así por Lavoisier: " L a energía n o se de la humanidad, sobre todo si se toma en consideración que los yacimientos de petróleo del mundo se Ley d e la conservación de la materia y de la energía agotarán en poquísimo tiempo Existe una relación entre materia y energía; esto se ha comprobado por el hecho de que «todo cambio quíTRANSFORMACIÓN DE UNA FORMA DE ENERGÍA mico o físico se produce, ya sea, con absorción o con EN OTRA desprendimiento de energía». Por ejemplo, el hecho de quemar carbón; la fotosíntesis. A l b e r t Einstein en 1905 manifestó que la materia y la energía están en íntima relación, lo que está demostrado en ia ecuación: = . . € ' '
bombiüos energía lumínica
= cantidad de energía (expresada en julios)
agua energía potencial
ni = cantidad de materia (expresada en kg) energía eléctrica generador
salto • energía cinética^ ' \
c = velocidad de la luz al cuadrado (300 000 km/s) Al aplicar la ecuación de Einstein se comprueba que, si un kilogramo de masa se transforma en energía, se produce tanto calor, que se puede elevar la temperatura de 215 000 000 kilogramos de agua, en unos 100 arados centígrados. Por lo tanto, la materia se puede convertir en energía p y la energía en materia, pero el total de la masa y la energía del universo es constante.
20
Física y Química
BLOQUE 1 La materia y energía son dos formas diferentes en una misma cosa. CALOR Calor es la energía que pasa de un cuerpo que tiene elevada temperatura a otro que tiene menor temperatura.
0 también: Calor es la energía transportada entre dos cuerpos en interacción, debido a que existe diferencia de temperatura.
Es necesario resaltar la diferencia que existe entre dos fenómenos aparentemente ¡guales y que ocasiona confusión, como son el calor y la temperatura, que son conceptos totalmente diferentes. Temperatura es la energía cinética promedio de un grupo de partículas que originan elevación de temperatura, es decir, que son los movimientos desordenados o los choques de átomos y moléculas los que originan la elevación de temperatura. De acuerdo a la teoría Cinético-molecular, mientras existan más choques habrá más energía, habrá más temperatura. A mayor cinetísmo molecular, hay
El calor es el medio de transporte de esta energía o temperatura de un cuerpo a otro. En el bloque 2 se ampliarán estos conceptos. POTENCIA ELÉCTRICA EN UN CIRCUITO Foco Radio Televisión puede conectarse a
Plancha Cocina Aspiradora Afeitadora
En el gráfico se demuestra que "cuando las cargas eléctricas pasan de un punto a otro, esto es, del punto A al B, pierden energía eléctrica", la misma que se transforma en otro tipo de energía como lumínica, calórica (representada por un foco), una radio, TV, plancha, aspiradora, afeitadora, etc.
Del gráfico se aprende también, que si el circuito estaría formado por el alambre que une la salida y la entrada de la corriente a la batería, la intensidad no variaría, y la potencia sería la misma. Pero si se interrumpe el tránsito de la corriente intercalando unas resistencias representadas por un foco, una radio, un televisor, una plancha, entre los puntos A, B del circuito indicado, es lógico pensar y comprobar que la intensidad o potencia va a disminuir, pues existirá una diferencia entre los puntos A y B. Habrá más energía, más potencia en el punto A y menor en el B. De manera que la energía perdida entre estos dos puntos se transformará en otro tipo de energía: lumínica, calórica, etc.
EFECTO JOULE Consiste en la transformación de la energía eléctrica en calorTénergía térmica) mediante una resistencia que ha sido atravesada por una corriente eléctrica.
Calor Resistencia
Con el gráfico se demuestra que la energía eléctrica ha disminuido su valor porque las cargas al pasar del punto A al B se transforma en energía calórica, es decir en calor, que se pone en manifiesto porque la resistencia se pone al rojo y emite calor. La intensidad de la corriente disminuye. Un fenómeno similar se observa cuando se prende un reverbero eléctrico, una ducha eléctrica, un foco. Este efecto de transformación deja energía eléctrica en calor se llama efecto joule.
Principalmente se lo usa y aplica en el hogar para obtener calor y luz. Con los ejemplos ya citados de un foco, plancha, TV, aspiradora, horno eléctrico, cocina eléctrica, ducha, queda explicado. Bachillerato General Unificado
21
BLOQUE 1
Filamento
Primera clase
eléctricos
En el caso particular de un foco común en su interior existe un alambre, resistencia o filamento hecho de un metal especial como tungsteno que se caracteriza porque se funde a alta temperatura y está en forma enrollada. Este filamento que se calienta obteniéndose la conversión de la energía eléctrica en calor y luz. Analice lo que ocurre cuando se conecta una plancha o un calefactor. El efecto Joule, también, se usa en la fabricación e instalación de los llamados fusibles, que se emplean para limitar la corriente que circula a través de un circuito eléctrico. Están fabricados con metales o aleaciones que se funden a bajas temperaturas como el estaño y el plomo. Cuando la corriente normal circula por el fusible, este aguanta, no se funde; pero si hay un aumento de voltaje, el fusible se funde (se hace líquido) por lo cual se desconecta el circuito evitando que los aparatos electrodomésticos se quemen o se produzca un corto circuito provocando incendios.
Tercera
Se ha definido a una resistencia como la dificultad que presenta un material al paso de la corriente eléctrica. De acuerdo a la estructura electrónica de los átomos se mide la resistencia que presentan los átomos al paso de los electrones. Esto se observa en el alambre de cobre, que deja pasar los electrones con mucha facilidad, a gran velocidad, lo cual no ocurre en el metal plomo, que es todo lo contrario, presenta freno o resistencia. Vale la pena recordar que los metales son conductores eléctricos de primera clase, pero no todos tienen la misma facilidad de conducir los electrones, por ello la siguiente clasificación.
Física y Química
Muy buenos Ag - Av • PT Cu - Ni Buei os Pb-Sn . es
Electrolitos
;s Bases Sales
HCI, H S 0 2
4
Na O H NaCI
I Gases de baja presión
Las propiedades de los metales de ser conductores de la corriente eléctrica se debe a que gracias a una diferencia de potencial o voltaje aplicado en el extremo de un alambre o barra metálica, los electrones libres se desplazan o corren. La velocidad de desplazamiento es mayor cuando en un recorrido no existen obstáculos donde choquen y se detengan, perdiendo velocidad y energía. Por ejemplo la plata, el oro, el cobre, prácticamente no ofrecen resistencia al movimiento de los electrones libres. MOVIMIENTO DE LOS ELECTRONES
Resistencia elevada porque los electrones chocan, pierden velocidad.
Por lo expuesto, se ha demostrado que la energía eléctrica se transforma en calor y luego en luz.
1 . 4 RESISTENCIA Y CIRCUITOS ELÉCTRICOS
| Segunda clase
Metales
f
o-»* o-*-
y
O-»
r>* o-> ©-»
o-*
T\
o-»*
Q-»
o »
y
J
No hav resistencia
J
CIRCUITO ELÉCTRICO
Camino que sigue una corriente eléctrica desde el punto de origen hasta la salida. O también: Es la reunión de varios elementos que entran en una determinada conexión.
BLOQUE
A esta última s e añade q u e e l c o n s u m o o ia c o n s e r -•- : zz-.v ca s= r e a l i z a e n t o d o s i o s e l e m e n t o s d e l
Ejemplo:
R, + R,
circuito. 20
Los c i r c u i t o s p u e d e n c o n s t r u i r s e u t i l i z a n d o c o n d e n s a 55 ; as, r e s i s t e n c i a s , b o b i n a s , baterías, e t c .
©
©
©
©
o
©
2+4=60
40
+i h 8V
+12V
O O
o
o
o
c
o o o o o o o OG O O C O G
o
©
o
Fuente d e energía = envío de electrones batería
Cuando se conecta los polos de una batería mediante un alambre se produce una corriente de electrones, esto es, la corriente eléctrica. En el gráfico se observa el sentido de la corriente que va del polo positivo (-.-) al negativo (--), es decir, tido c o n v e n c i o n a l debido a que las cargas positivas tienden a desplazarse del lugar donde el potencial es mayor hacia el de menor voltaje.
En un circuito se conectan dos resistencias en serie (R¡ y R ) con un generador o batería de 12 V, se desea saber: 2
a. b. c.
La intensidad de la corriente, La potencia que circula en cada resistencia, La potencia total.
Datos
V = 12v R, = 2 0 R, = 4 0 l=X P,=X P =X PT = X
a, l = -
I=
2
12 v
=
60
. .
2
P, = [2rAx2Q = 8wi P = [l] xR P, = [2] A x 4 0 = 2
2
2
2
3
R,
Ri
RT = 2 0 + 4 0 = 6 0
b. P, 4 l ] x R ,
CONEXIÓN DE RESISTENCIAS EN SERIE Rs = R, + R + R 2
r
(las dos resistencias en serie unidas en una sola)
o ©
c,
-A/Wr v
RT=[l] xRT RT = [2] A x 60 = 24w 2
2
2
Ejercicio:
+ Este circuito se caracteriza porque dos o más resistencias o dispositivos se conectan uno a continuación de otro, de tal modo que a través de ellos circule h m i s m a cantidad de electricidad. En el gráfico existen dos resistencias (R, y R ), aunque pueden haber tres o más (R„ R , R , R ,...) Debido a la conexión en serie, el voltaje que sale del generador o batería se divide las dos resistencias, por lo tanto se tiene:
Resolver el siguiente problema:
Ri
R
R
20
40
60
2
3
2
2
v=v v 1+
2
V=I +I R1
R 2
RT = R, + R,
3
4
1
30 V Calcular: a. Intensidad de la corriente, b. Potencia en cada resistencia, c. Potencia total. Bachillerato General Unificado
BLOQUE 1 Resumen. Del estudio de los circuitos en serie se deduce: 1
La resistencia tota! (RT) es igual a la s u m a d e las resistencias parciales RT = R, + R + R . 2
2.
.
In Interruptor
s
-
110V
Al interrumpir una resistencia queda anulado o desconectado todo e l circuito, es decir, se corta la corriente.
-
—±l ll ¿ = — -
3
La intensidad de la corriente que circula es idéntica en todos ios puntos del circuito.
3.
Tomacorrientes
11
1 1
Radio
Televisión
-AWr
-vwv-
1
Licuadora R
3
(
a,) R<
ANOTACIONES
El potencial total se distribuye proporcionalmente al valor de cada una de las resistencias.
1
Los dispositivos radio, TV, licuadora, foco se encuentran conectados en paralelo.
CONEXIÓN DE RESISTENCIAS EN PARALELO
2.
Cada dispositivo representa una resistencia, así: R, = radio, por ejemplo 1,0 O R = TV, por ejemplo 1,5 Q R = licuadora, por ejemplo 2,0 Q R = foco por, ejemplo 2,5 O 2
Significa que las resistencias se conectan de tal modo q u e a cada u n a se aplica o pasa el mismo voltaje.
<— -j-1 — Los circuitos en paralelo son equivalentes. Se insiste en indicar que la tensión o voltaje tiene el mismo valor en cualquier punto donde exista, una resistencia. Por ejemplo en el gráfico número 2, si el valor del voltaje fuera de 110 V y la resistencia R, igual a 2 O, R = 4 fi, el voltaje que circula por cada uno de losllOV.
3
4
.3,
El voltaje de 110Vseaplica a cada resistencia, es el mismo para todos.
4.
Si el interruptor está desconectado no habrá corriente solo en el foco, las demás siguen con corriente.
5.
Si se desconecta (desenchufa) la radio siguen funcionando TV, licuadora y foco. Si se desconecta radio y TV, sigue funcionando licuadora y foco. Si se desconecta radio, TV y licuadora, existe corriente en el foco.
.•..:•:. Todo lo contrario ocurre cuando los aparatos o resistencias están conectados en serie. Por ejemplo si se interrumpe R, en un circuito en serie no pasará corriente a: R + R + R . 2
3
4
2
En el siguiente gráfico se ve un circuito en paralelo con un voltaje de 110 V y cuatro resistencias representados por R, = un radio, R = una licuadora, R = una televisión, R = un foco. 2
3
Igual si se interrumpe cualquier resistencia o cualquier punto en un conductor, la corriente se interrumpe en todo el circuito. Esto pasa cuando se funde el fusible que está en la caja principal de fusibles, no hay energía en toda la casa.
4
Ejerckio: Resolver el siguiente problema:
24
Física y Química
En un circuito en paralelo se tiene conectado dos resistencias de R, = 4 Q y R = 2 Q. El voltaje es 12 voltios. 2
BLOQUE 1 Calcular: a. La resistencia en los 2 puntos R,, R y (RT), b. La intensidad total, c. La potencia en cada punto, d La potencia tota!.
a. b. c. d.
2
R = 40
Datos: V = 12 V R- = 4 0 R; = 2 O
Ejarátí©:
2
-
Resistencia total, Intensidad total, Potencia en cada punto, Potencia total.
-
Un circuito que conjuga resistencia en serie y en paralelo tiene una tensión de 80 V y cuatro resistencias cuyos valores son: R, = 100 O, R = 200 O, R = 300 O, R = 400 O.
Ri = 2 0
2
12V a.
Resistencia total 1 ^ 1 , 1 RT R
Encontrar la intensidad de la corriente y el voltaje del siguiente circuito: 100
2
1 +2 RT
4
1
Jk 4
2
I—
A
4
-
R,
80 V —
~ ~
1
200
R4^400 300
I , 3 Í íi
RT = -
3
4
Datos l =X V = X entre los puntos A y B
¡oo R.
b.
80V~ r
Intensidad total ,
V R
R • 3•<
12V = 9,02 A 1,33 O
>
4
0
0
R 2Í 5 0 0 ., 5
3
s
R + R = R (en paralelo) 4
Intensidad o potencia en cada resistencia (R, y R )
5
6
2
[Ri=40]
|,=-
[R = 2 0 ]
l =
2
d.
2
1i 100
c.
R + R = R (en serie) 200 + 300 =500 O
2
V
12
R
4
,.
^ 5 0 0
SOV^T
1 _ 1 R 400
500 + 400
V _ 12 R 2
200000
1 500 0,0045
1 0,0045
Intensidad o potencia total PT=lxV = 9,02Ax12V = A V
,
R = Ri + R 6
80V
322,2
_
5
R = 100+ 222,2 = 322,2 O (RT) 6
R = 60 2
R, = 3 0
|=
V R
80V 322,2 O
V = l+R V = 0,248 A x 322,2 O =
10V Bachillerato General Unificado
25
BLOQUE 1
1.5 ELECTROLISIS Electrólisis
Electrolitos
Electro = electricidad lisis = división Ácidos
La electrólisis es la división o descomposición química de una sustancia por acción de la
corriente eléctrica. V
2
—
H¡-:O,
La descomposición se produce cuando circula la corriente eléctrica a través de una solución electrolítica o de sus compuestos fundidos. Para que se realice la electrólisis de una sustancia, es necesario se cumplan algunas condiciones como los siguientes: 1,
2,
Presencia de partículas o grupos atómicos cargados eléctricamente, que pueden ser electrones o iones. Una diferencia de potencial.
.. .3. ...A.Es un sistema líquido, conductor de la corriente eléctrica. Puede ser: ácidos, bases y sales inorgánicas. : ..¿ • :• Son metales en forma de láminas, cables o alambres que se sumergen en la solución electrolítica. Su función es orientar las partículas cargadas eléctricamente a su respectivo electrodo, tomando en cuenta que "cargas del mismo signo se repelen y de signo contrario se atraen". Los electrodos son dos:
Ánodo
Solución electrolítica
4
Física y Química
NaOH KOH Ca (OH)
NaCI KCI Na C0
2
2
3
CONDUCTORES METALICOS Se indicó en la sección 1.4.
1 . 5 . 1 TEORÍA SOBRE L A ELECTROLISIS ^ explica que la conductividad de la corriente se realiza mediante iones. Este científico formuló los siguientes postulados: a. Toda solución de electrolitos contiene iones. b. Los disolventes rompen la unión de los electrolitos. c. Los iones son los que conducen la corriente eléctrica. d. La conductibilidad eléctrica de una solución electrolítica está en razón directa al grado de disociación del electrolito, esto si el electrolito es débil o fuerte.
La descomposición se efectúa en la cuba electrolítica, que puede ser un vaso de precipitación en el que se introducen los dos electrodos; ánodo y cátodo. Estos que se encuentran conectados a un generador de corriente eléctrica continua o batería.
Cátodo
Generador
4
Sales
1.5.2 ELECTROLISIS DEL CLORURO D E SODIO FUNDIDO ¿
Á n o d o se denomina al polo positivo. Cátodo se denomina al polo negativo.
2(5
HCI H S0
v Bases
El cloruro de sodio fundido se introduce en la celda y se conecta el circuito. Se observa que el cátodo va adquiriendo electrones provenientes del polo positivo, lo que origina que el cátodo tenga tantos electrones y se cargan negativamente, esto significa que se inició la circulación de la corriente eléctrica y, naturalmente, la descomposición de la sal.
BLOQUE 1 De esta electrólisis se obtiene sodio metálico en el cátodo y desprendimiento de gas cloro en el ánodo.
1.5.3
ELECTROLISIS D E
SOLUCIÓN A C U O S A Cuando el cloruro de sodio se disuelve en agua se produce la ionización, y en la celda electrolítica existen cuatro clases de iones; dos positivos (Na y H ) y dos negativos (O" y OH"): +
+
-*• Na" + CP + H + O H '
NaCI + H"OH
+
Los iones H y Na" son atraídos por el cátodo, pero solamente el hidrógeno gana un electrón y se transforma en átomo, no así el sodio, puesto que tiene mayor potencial eléctrico. +
Se explicará lo que ocurre en cada electrodo. En el cátodo, la semirreacción del sodio. El sodio al separarse de la molécula de NaCI perdió un electrón y se convirtió en ion positivo monovalente, por lo tanto migra al cátodo o polo negativo que como tiene abundantes electrones cede uno al sodio por lo que pierde la carga positiva y se transforma en átomo o metal. Esto es un fenómeno de reducción (ganancia de electrones): Semirreacción (reducción metálica)
2Na
0
-*- 2 N a
+
2
20H
2 OH"
Semirreacción (oxidación no metálica)
cr
1
ion
le = Cl°
Semirreacción a. catódica 2Na + 2e~ = 2Na° b. anódica 2 c r - 2e" = c i ° +
2
Reacción total
2 N a + 2CL +
= 2Na° + Cl ° 2
no se descarga
Los iones N a y O H quedan en la solución y reaccionan: +
Na
+
+ OH
+
+
• NaOH
Por lo tanto, resumiendo el proceso de una sola ecuación se tiene:
átomo
Si se suman las dos semirreacciones, que en definitiva son reacciones que se producen en los electrodos y que en conjunto forman el sistema de óxido-reducción, se tiene:
no se descarga
+
Ci ° se descarga (oxidación)
2CI" - 2e~
El ion cloro negativo migra al ánodo o polo positivo, que, en cambio, tiene deficiencia de electrones por lo que el cloro deposita un electrón, vale decir, pierde un electrón y se convierte en átomo gaseoso. Este es un fenómeno de oxidación (pérdida de electrones).
se descarga (reducción)
2
Los iones CP y OH" son atraídos por el ánodo, pero solamente el cloro se descarga, no así el OH, de manera que:
Na + l e " = Na ion átomo +
H°
2H" + 2e"
2NaCI + 2H,°
2NaOH + H ° + Cl ° 2
2
De esta manera, en el proceso electrolítico del c l o r u r o ^ de sodio en solución acuosa, se produce:
N
N.— a.
Cloro gas en el ánodo: Cl °
b.
Hidrógeno gas en el cátodo: H °
c.
Hidróxido de sodio que queda en la celda.
2
2
2Na 20H"
+
• 2Na
+
• 2 0 H " = 2NaOH
Bachillerato General Unificado
27
I
BLOQUE
1
1.5.4
EQUIVALENTE QUIMICO (EQ)
E! equivalente químico de un elemento en un compuesto dado, es la relación entre el átomo gramo del elemento (masa atómica) y la valencia con la cual se encuentra actuando.
•
=
i
Eq = equivalente químico A = masa o peso atómico del elemento V = valencia del elemento
— "
Encontrar el equivalente químico de la plata en el nitrato de plata. AgN0
3
Eq = - ^ - =
1
0
7
j
8
g
4
E
q
=
A
= 63,54 g = 3 1 , 7 7
g
Encontrar el equivalente químico del cobre en el nitrato cuproso. CuN0
3
Eq = ^ - =
6
3
'
5
4
g
= 63,54 g
Encontrar el equivalente químico del hierro en el cloruro ferroso y en el cloruro férrico. FeCI,
Eq = ~ = V
FeCI,
Eq = -
A r
=
5 5 , 8 4
2
9
=
5 5 , 8 4
9
=
-
1.5.5 EQUIVALENTE ELECTROQUÍMICO ( Q ) t Es la cantidad de sustancia puesta en libertad por un culombio, o la cantidad de sustancia depositada en uno de los electrodos al paso de un culombio. Un equivalente electroquímico se obtiene dividiendo el equivalente químico de un elemento para 96 500 culombios.
28
Física y Química
Q = equivalente electroquímico en gramos/ culombios. Eq = equivalente químico en gramos. F - constante de Faraday = 96 500 culombios. Ejemplo: Hallar el equivalente electroquímico del cobre en el cloruro cúprico, cuyo peso atómico es 63,57. Q =? Eq = 63,57 + 2 = 31,785 g F = 9 6 500 culombios
= 107,8 g
Encontrar el equivalente químico del cobre en el sul fato cúprico. CuS0
La fórmula es:
Q = -É9F Q=
31,785 q 96 500 culombios
Q = ., 3003294 g/culombios Se ha calculado el valor del equivalente electroquímico para algunos elementos. Elemento
Átomo gramo
y.
. s
o peso atómico
Qen mg/culomb.
Ag /
108,87 g
1
1,12
Cu /
63,54 g
1
0,66
OV
63,54 g
2
0,33
Au/
196,96 g
1
2,04
Au /
196,96 g
3
0,67
Al/
26,98 g
3
0,093
Na (
22,98 g
1
0,24
H •
1,008 g
1
0,0104
1.5.6 C A L C U L O D E L A C O N S T A N T E D E F A R A D A Y (F) La constante Faraday, cuyo valor promedio es de 96 500 culombios, se calcula dividiendo el equivalente químico del elemento expresado en miligramos (Eq mg) para el equivalente electroquímico en mg/culombio (Q).
—
Eq mq mg/culombio
BLOQUE
T o m e m o s c o m o e j e m p l o el caso dei o r o m o n o v a l e n t e : (Au ). +1
F =-
Eq mg
1
cidad, es decir, 96 500 culombios. Allí se depositarán en los respectivos cátodos 1 equivalente químico de cada elemento.
mg/culombio
Peso atómico = 196,96 g Valencia = 1 Eq =
196,96 . _, _, -' = 196,96 mg
F=
196 969jyrtf 2,04,mg7culombio
F=
" 30. culombios
H S0 2
Q = 2,04 mg
Eq mg Q mg/culombio
96 500 culombios gramos de electrolito
Cu (monovalente) Peso atómico = 63,54 g Valencia = 1 Eq = r
63,54 1
Eq de H
r
Q = 0,66 mg/culombio
p_
0,66jrrg/culombio F = 96 5 0 0 culombios
Calcular la constante de Faraday tomando como ejemplos el oro trivalente, el cobre divalente, el cromo di y trivalente.
L E Y E S D E FARADAY
ley. El peso del electrolito depositado o desprendido en el respectivo electrodo, es directamente proporcional a la cantidad de electricidad que circula por la c e l d a . El experimento realizado por Restrepo, consistió en que en una celda electrolítica colocó como electrólito cloruro de sodio e hizo circular la cantidad de electricidad de 10,000 culombios, con lo cual obtuvo el depósito de 2,38 g de sodioenelcátocjc) y 3,67 gramos de gas cloro que se'líbero en el a n o d a Cuando duplicó la cantidad de electricidad a 20 000 culombios, obtuvo 4,76 g de sodio 7,34 de cloro. Segunda ley. Se dispone de cuatro cubas electrolíticas en serie, en las que se coloca diferentes electrolitos., pero que circula la misma cantidad de electri-
. 6
+1
63 5 4 0 j ? T á f
Ejercicio:
1.5.7
FeCI,
4
H 1,008
Ag 107,08
1,008 q 1
= l,r.:- g
+1
Cu 31,9 + 2
Fe 18,6 +3
Puesto que:
, = 63,54 mg o
CuS0
3
96 500 culombios
Experimento que sirve para deducir la segunda ley de Faraday.
Para el cobre monovalente: F=
AgN0
4
I
JUN 2013
EqdeAg
= ^ - 3 - = 107,8,
+ 1
Eq d e C u
+ 2
EqdeFe
=
+ 3
=^pL=31,8g
5
5
|
g
- = 18,6 g
Por lo tanto, cuando pasan 96 500 culombios, se deposita o se desprende un equivalente químico del elemento. De este experimento se deduce la segunda Ley de Faraday, que dice: Si una m i s m a cantidad de electricidad atraviesa distintos electrolitos, las masas de las sustancias depositadas o desprendidas durante la electrólisis son proporcionales a los respectivos equivalentes químicos. En las leyes de Faraday intervienen variables como la intensidad de la corriente, el tiempo, la constante de Faraday, el equivalente químico. De allí que se puede reunir estos factores en la siguiente fórmula:
0
=
IxTxEq F
Bachillerato General Unificado
i8
-A
29
I
BLOQUE 1 cantidad del electrolito en gramos. Intensidad de la corriente en amperios, tiempo en segundos. _A_ equivalente químico = V
Q I -
F
Q
4,
= constante de Faraday = 96 500 culombios
Problemas:
X
l 6
2
5 ° ^
2
¿Cuántos gramos de plata se depositarán en el cátodo cuando pasa una corriente de 2 amperios en 3h, sobre una solución de A g N 0 .
=
-6^54
=
3
2
q
=
0
_ I x T x Eq F
;=
QxF T x Eq
15,10A
¿Cuánto tiempo debe circular una corriente de 2,5 amperios para depositar toda la plata contenida en 500 mi de una solución normal de A g N 0 ?
Q _ I x T x Eq
3
=
Datos T =? I = 2,5 A V = 500ml N = 1N
_
Q _ I x T x Eq
F
4
q
5
¿Qué intensidad debe tener una corriente para que deposite 60 g de cloro en 3 h.?
óO^g x 96 500 C 10 8 0 0 s x 3 5 , 5 , g ' =
¿Qué cantidad de Cu de una solución de C u S 0 se depositará cuando pasa una corriente de 5 amperios en 30 minutos?
E
'
Fórmula
2Ax108Q0sx108q 965000
Datos Q=? I =5A T = 3 0 m i n = 1 800 s F = 96 500 C
9
35 5 Eq = - ¿ i i = 35,5 g
3
2.
X
Q =60g I = ? T = 3 h = 10 800 seg F = 96 500 C
1 Faraday = 96 500 culombios
Datos Q =? I =2A T = 3 h = 10 800 s Eq = 108g F = 96 500 C
8
Fórmula
Culombios = Amperios x tiempo
1,
-
Eq = ^ - - = 1 0 8 g 8
QxF I x Eq
Q = Sol N de A g N 0 = Eq en 1 000 mi Q = 108 g e n i 000 mi Q = 54 g en 500 mi 3
Fórmula n
T =
_ I x T x Eq
F
y _ 54,q x 96 500 C 2,5 A x 1 0 8 ^
g
T=19300s= - " 7 n
5 A x 1 800,5 x 32 g
_
6.
96 5 0 0 , e 3,
¿Cuántos gramos de Ni se obtienen sobre un guarda choques cuando circula una corriente de 8 amperios en 12 h sobre una solución de NiCI ?
En la operación del plateado electrolítico se utiliza una corriente de un amperio en un tiempo de 45 h. ¿Qué peso de plata se obtiene con un rendimiento del 95%?
2
Datos Q =? I =8A T = 1 2 h = 43 2 0 0 s F = 9 6 500 C _ 58,71 29,5 g Eq 2
30
Física y Química
ula Q
_ I x T x Eq
F
Datos Q =? I =1 A T = 45h = 16200s % = 95% F = 96 500 C Eq = 108g
Fórmula Q _
I x T x Eq
F
BLOQUE 1 1 A x 162 0 0 0 y x 1 0 8 96 500 €
9
=
.
1 8
Fórmula Culombio = amperio x tiempo Culombio = 2 A x 7 200 s = 14 4 0 0 C
| 3 o
x
100% 95%
1 8 1 x 1 3 g =
95^xJ81,
1 3
g
96 500 C = 11,2 I 14400 C x 11,92 1 14400C = x = 96 500 C
=
IOOX
Fórmula
Datos P1 = 760 rnm Hg V I = 1,67 I TI =273 K P = 800 mm V =? T = 293 K
¿Qué volumen de hidrógeno seco se pone en libertad cuando pasa una corriente de 2 amperios en 2h. Calcular el volumen de hidrógeno seco a 20 °C y a 800 mm de Hg de presión?
Mx-Mi.
2
Datos H (húmedo) = 22,41 H (seco) = 11,21 T = 2h = 7200s
= 1,671
v
2
= 2
2
M i I i P T, 2
2
y
=
2
760 m n i x 1,67 l x 2 9 3 X 800 m r f í x 2 7 3 X
=
,
E J E R C I C I O S PARA RESOLVER EN CASA Resuelva en su cuaderno. 1.
Calcular el equivalente electroquímico del Zn, teniendo en cuenta que la masa atómica es 65,38 g.
2.
Se hacen pasar 0,3 Faraday a través de tres células electrónicas en serie. Una contiene plata, otra zinc y otra aluminio. ¿Cuántos gramos de metal se depositarán en los respectivos cátodos?
3.
4.
,
«55
¿Cuánto tiempo llevará el depositarse 100 g de aluminio con una coriente de 125 amperios? ¿Qué tiempo se requiere para que pasen por una cuba electrolítica 72 000 culombios con una corriente de 10 amperios? ¿Cuál es la Intensidad de la corriente que pasa por
Una corriente de 5 amperios circula durante 30 minutos y deposita 3,048 g de zinc. Calcular el equivalente químico del metal. ¿Cuánto tiempo llevará en depositarse 100 g de aluminio con una corriente de 125 amperios?
w
una resistencia de 100 ohmios, cuando se conectan a sus extremos 45 voltios?
Las respuestas se encontrarán al final del texto.
CUESTIONARIO PARA DEMOSTRAR LO APRENDIDO Resuelva en su cuaderno. 5.
¿Qué entiende por cátodo y por catión?
6.
¿Qué reacciones se producen en la electrólisis del cloruro de sodio en solución acuosa?
¿Cuál es la diferencia química entre un conductor eléctrico de primera clase y uno de segunda clase?
7.
¿Qué diferencia hay entre equivalente químico y equivalente electroquímico?
8.
¿Cómo calcula la constante de Faraday?
¿Por qué el foco en el experimento no se prende cuando contiene agua destilada?
9.
¿Qué diferencia existe entre una solución iónica y una solución molecular?
1.
¿Qué condiciones se requieren para que exista corriente eléctrica?
2.
¿Qué entiende por electrolito?
3.
4.
Bachillerato General Unificado
3 1
BLOQUE ,^1
1 . 5 . 8 APUCACIONES DE L A ELECTROQUÍMICA
La tecnología empleada en la electroquímica constituye un valioso aporte ya sea en e! laboratorio, como en la pequeña y gran industria, señalándose entre otras ias siguientes aplicaciones: a» Obtención de elementos gaseosos, como por ejemplo el cloro en la electrólisis del cloruro de sodio fundido; la obtención del hidrógeno y oxígeno en el voltámetro. b.
Obtención industrial de metales como en el caso del cobre a partir el sulfato cúprico, de la plata a partir del nitrato de plata.
c.
En la cobertura de metales oxidables a la temperatura ambiente y en el aire húmedo como el hierro, que para evitar que se oxide se le cubre con una capa delgada de metal resistente a la oxidación como el níquel, proceso que se llama niquelado; si se cubre con cromo 9 se llama cromado; si es con oro, dorado. Esta aplicación se utiliza en los acabados de los automóviles, en las chapas de las puertas, en los relojes, etc.
GALVANOSTEGIA Etimológicamente significa "cubrir". Consiste en depositar una capa adherente de un metal no oxidable sobre otro metal, caso concreto el niquelado. Por ejemplo, si se va a proceder a niquelar los guardachoques de los carros, para lo cual se disponen de celdas electrolíticas muyamplias y que en la industria trabajan en serie, se utilizan electrodos del mismo metal, esto es barras de níquel. Como electrolitos se requiere de cianuro o sulfato niquélico, se introduce la pieza de hierro en el baño, la misma que debe ir conectada al polo negativo del circuito, obteniéndose así el depósito lento del níquel sobre las piezas de hierro.
1 . 5 . 9 P I L A S ELÉCTRICAS ¿Qué es u n a pila eléctrica? Es un sistema que permite transformar la energía química, producto de una reacción, en energía eléctrica. Es un dispositivo que mantiene la diferencia de potencial entre sus dos electrodos o terminales A y B, los que deben estar separados por un campo eléctrico que señale el sentido de derecha a izquierda. En este campo, las cargas móviles que son los iones se dirigirán al terminal de signo contrario, vale decir, los electrones emigran al terminal positivo. Todo tipo de pila se compone de dos electrodos, uno positivo y otro negativo, introducidos en una solución electrolítica de un ácido, una base o una sal. Los electrodos carecen de carga eléctrica mientras están fuera de la solución electrolítica, mas, cuando ellos se introducen ocurre que: a,
El electrodo reacciona con el electrolito desprendiendo iones positivos, por lo que pierde su neutralidad, retiene la carga negativa y se carga negativamente.
b.
Los iones positivos que están en la solución electrolítica se dirigen al otro electrodo en el que se depositan o ceden su carga positiva, por io tanto se carga positivamente.
<<-
"ASTIA
Etimológicamente significa "moldear". Consiste en depositar una capa poco adherente de un metal sobre un molde; por ejemplo, cuando se quiere construir el busto de una persona para un monumento, entonces es necesario fundir en yeso la imagen, luego se la cubre con grafito, se la conecta al cátodo, se Introduce en el electrolito y se deposita una capa gruesa no adherente que resulta ser la imagen. 32
Física y Química
<<<-<-
< < <<---<--<-
i
ir
<---<--<-
terminal negativo
(?«•
<<•<•<-
campo eléctrico E= cte
terminal positivo
De esta manera, se han construido los dos polos de la pila con una diferencia de potencial. De lo dicho, se concluye que en una pila se produce una diferencia de potencial entre dos metales químicamente distintos cuando se sumergen en una solución de un electrolito, por lo mismo, cuando se introduce un metal en un ácido pasan a la solución iones metálicos que llevan carga positiva, dejando al meta i
BLOQUE 1 cargado negativamente. Se forma un campo eléctrico en la solución acida que tiende a atraer a los iones positivos hacia el metal y así limitar el número de iones que pasan a la solución. Si se mide el potencial del ácido en la reacción al metal, el ácido tendrá un valor positivo.
EXPERIMENTO Al introducir una lámina de zinc en agua, se produce un paso de algunos átomos del metal hacia el agua en forma espontánea, esto se debe a que el metal posee tensión d e disolución. Los iones de zinc son atraídos hacia la lámina que se cargó negativamente, esta atracción se llama presión electrolítica.
En el primer caso, la lámina se carga positivamente y en el segundo negativamente. Lo contrario ocurrirá con la solución. El resultado es la aparición de una diferencia de potencial entre la lámina de zinc y la solución de sulfato de zinc. Se ha calculado la tensión de disolución, esto es, la mayor o menorfacilidad de desprenderse de los iones para los metales, por ejemplo el valor del zinc es grande y menor en el cobre. Pila galvánica. El mecanismo de funcionamiento se basa en los fenómenos de perder electrones (oxidación) o ganar electrones (reducción). En un recipiente que se divide en dos compartimientos: Ánodo de Zinc (•
Cátodo de Cu (+)
Solución de CuS0 4
De manera que existen dos fuerzas, una que obra de la lámina hacia el líquido y otra en sentido contrario, esto es, de la solución a la lámina. Si la tensión de disolución y la presión electrolítica son iguales, se establece un equilibrio. Ahora, si la lámina de zinc se introduce en un vaso que contiene una solución de sulfato de zinc ( Z n S 0 ) , aquí hay un predominio de la presión electrolítica, por lo que los iones de Z n se adhieren a la lámina de zinc, movimiento que termina cuando se establece el equilibrio. 4
+ 2
Pero si la tensión de disolución es mayor que la presión electrolítica, pasarán iones de la barra de zinc a la solución.
C o m p a r t i m i e n t o A. Que lleva como ánodo una barra de zinc sumergido en una solución de sulfato cúprico. C o m p a r t i m i e n t o B. Que lleva como cátodo una barra de cobre sumergido, también en solución de sulfato cúprico. Los compartimientos A y B se encuentran separados por una pared de material poroso que no deja que se mezclen las soluciones sino que pasen solamente los iones de un compartimiento al otro. En los dos compartimientos la presión de disolución es mayor, por lo que los iones positivos Z n y C u pasarán a sus respectivas soluciones, las que se cargarán positivamente. + 2
+ 2
En la barra de zinc existe mayor densidad electrónica, mayor, número de electrones, puesto que cedió a la Bachillerato General Unificado
33
1
BLOQUE
solución mayor cantidad de iones zinc que la barra de cobre. Si se conectan los dos electrodos mediante un alambre se observará el paso de la corriente eléctrica del ánodo al cátodo, esto es la barra de zinc o de cobre. En el ánodo o barra de zinc se produce la reacción de oxidación, pierde electrones: Zn
Zn - 2 e u
+ 2 e" - 2 e"
+ 2
Cu (reducción)
POTENCIALES DE LOS METALES EN E/V TOMANDO COMO BASE EL H
P#\RE§
AMII»
Li
Li
Cs
Cs
K
K
Rb
Rb
+
Ca
Ca
2 +
Na
Na
+
Mg
Mg
Zn
Zn
F
2
Fe
Cd
Cd
Ti
Ti
Co
Co
+
+
+
2 +
2 +
2+
2 +
+
2+
E/V
Ni
Ni
2,93
Sn
Sn
2 +
0,14
2,92
Pb
Pb
2+
0,12
2,92
H
H
2,76
Cu
Cu
2 +
-0,34
2,71
Cu
Cu
+
-0,53
2,35
Ag
Ag
+
0,76
Hg
Hg
2+
0,44
Hg
Hg
2+
-0,86
0,40
o
OH~
0,40
0,33
l
0,26
Br
2
2
ci
2
2
2
2+
0,23
- Recipienteelectrodo zinc
Electrolito Mezcla despolarizante
_
Arandelaaislante
(-)
1
El electrodo negativo es la cápsula de zinc y las sustancias químicas que están en el interior.
2.
El electrodo positivo es una barra de carbón.
3.
La mezcla despolarizante está compuesta de dióxido de manganeso, carbón en polvo (grafito) y cloruro de amonio (NH CI), esta es una pasta húmeda. 4
4.
Pasta o electrolito, compuesta de cloruro de amonio, cloruro de zinc (ZnCI ), agua, harina yalmidón, la que se encuentra entre el recipiente de zinc y la mezcla despolarizante. 2
-0,79 -0,80
r
-0,53
Br
-0,05
ci--
-0,35
Es el tipo de las denominadas pilas secas, porque se sustituye el electrolito en solución líquida con uno pastoso, cuyo ejemplo es la pila que se utilizan en las linternas, radios, etc. El nombre de pilas de zinc - carbón se debe a los nombres de los electrodos que se utilizan. Física y Química
Electrodo de carbón
0,00
2
1.5.10 P I L A D E ZINC - CARBÓN
34
Cámara de aire
De acuerdo con el gráfico se tiene:
3,02
2
Sellado hermético Disco de cartón
(oxidación)
+
En el cátodo o barra de cobre se produce la reacción de reducción, gana electrones: Cu
( )
Las reacciones que se producen son: En el cátodo, el zinc se oxida, pierde 2 electrones y pasa d e Z n ° a Z n + 2
Zn° + 2NH,CI
1
^ Z n ' + 2CI 0 + 2NH + 2 H + 2e~ 2
2
3
+
Los electrones se quedan en el electrodo de zinc por lo que se carga negativamente, en tanto que los iones H emigran hacia la barra de carbón que se carga positivamente ya que el hidrógeno le cede la carga positiva que lleva. Se cierra el circuito cuando se unen los dos polos, entonces los electrones circulan del polo negativo al polo positivo, dando lugar a la corriente eléctrica continua. +
En la barra de carbón se siguen acumulando iones positivos de hidrógeno impidiendo la circulación y la pila se agota; es necesario hacerlos desaparecer por la mis-
1
BLOQUE ma acción de las sustancias químicas, en la siguiente reacción: 2Mn
+4
0 + 2H + 2e~ 2
boso con valencia +2; esto es, sufre el fenómeno de oxidación con pérdida de dos electrones.
• Mn 0 + H 0 2
3
Pb°+H S0
2
2
Este proceso se llama despolarización del sistema.
+ 2
+ H ° + 2e~
4
2
E n el á n o d o : los electrones llegan al polo positivo, oxidándose a dióxido de plomo u óxido plúmbico de valencia +4, que reacciona con el ion sulfato formando sulfato plumboso insoluble, el mismo que se adhiere a las placas.
1.5.11 ACUMULADOR DE PL^)!^ÍCÍ
P b 0 + 2e" + H S 0 + H + 4
El acumulador permite que las reacciones químicas sean reversibles, es decir:
2
2
4
P b S 0 + 2H 0
2
+ 2
4
2
Las dos reacciones anteriores expresadas en una sola quedan así:
a. Transforma la energía química en energía eléctrica. b. Transforma la energía eléctrica en energía química.
carga
P b 0 + Pb° + 2 H S 0 + 4
Esta es la diferencia con una pila seca, que cuando la reacción química termina, la pila queda totalmente agotada e irreversible (pila de linterna); en cambio en las baterías o acumuladores de plomo, como las reacciones químicas son reversibles, una vez agotada la reacción en un sentido, que es la descarga de la batería, puede volverse a cargar cuando se le administra corriente eléctrica continua, y la batería funciona perfectamente.
Pb S0
4
2
2
'
4
»* 2 P b S 0 + 2 H 0 + 2
4
2
descarga
b.
Proceso de carga e n el á n o d o . Las reacciones químicas se producen en sentido contrario, es así como el plomo divalente absorbe dos electrones y se transforma en plomo metálico, siendo un fenómeno de reducción. Pb
+2
+ 2e"
• Pb°
Esto ocurre cuando en un automóvil se ha dejado las luces encendidas con el motor apagado, la batería se descarga, toda la energía química se transforma en eléctrica. Cuando se la lleva a un taller donde cargan baterías, allí se suministra durante varias horas corriente continua, es decir, la energía eléctrica se está transformando en energía química.
Pb S0
Un acumulador consta de:
2Pb S0 + 2H 0
i
El electrodo positivo o cátodo, formado por placas de plomo con dióxido de plomo.
Las dos reacciones anteriores expresadas en una sola quedan así:
2.
El electrodo negativo o ánodo, formado solo por placas de plomo esponjoso.
2Pb S0 + 2H 0
3.
El electrolito, que es una solución de ácido sulfúrico.
FUNCIONAMIENTO Y REACCIONES QUÍMICAS Diferentes reacciones químicas se producen en el proceso de descarga y carga de la batería: a.
Proceso de descarga. Producción de electricidad, En el cátodo: el plomo metálico al reaccionar con el ácido sulfúrico se transforma en sulfato plum-
+ 2
+ 2e"
4
• Pb° + S 0 " 4
2
ei piorno divsiente del sulfato plumboso desprende dos electrones y se transforma en plomo tetravalente, así: Pb
+2
- 2e" + 2
+ 2
4
4
• 2
2
Pb
+4
• P b 0 + Pb° + 2 H S 0 + 4
2
2
• P b 0 + Pb + 2 H S 0 +
2
2
4
4
C A R G A Y D E S C A R G A DE UNA BATERÍA El sentido de la corriente es del polo negativo al polo positivo. En la descarga se produce sulfato plumboso en ambos electrodos. El ácido sulfúrico se diluye en razón de que en la reacción se produce agua. La batería se cargará nuevamente cuando se le suministre del exterior energía eléctrica, y esto ocurre cuandosse pone a funcionar el motor del auto, pero si está apagado y las luces y radio están funcionando, la batería se descargará lentamente. Bachillerato General Unificado
3 S
BLOQUE
1 % T
r
VOCABULARIO Agente reductor. Sustancia que se oxida y causa la reducción de alguna otra sustancia. Agente oxidante. Sustancia que se reduce porque causa la oxidación de alguna otra sustancia.
CIENTIFICO Celda g a l v á n i c a . Dispositivo en el cual tiene lugar una reacción espontánea con paso de electrones a través de un circuito eléctrico. Electrólisis. Proceso en el que se utiliza la electricidad para producir un cambio químico.
Á n o d o . Electrodo en el que tiene lugar la oxidación. Cátodo. Electrodo en el que tiene lugar la reducción.
Electroquímica. Rama de la química que se ocupa de las relaciones entre la electricidad y las reacciones químicas.
Celda electrolítica. Dispositivo en el que se hace que ocurra una reacción redox no espontánea por el paso de corriente bajo el efecto de un potencial eléctrico suficiente.
Potencial de reducción. Capacidad intrínseca de un átomo para captar electrones.
T A L L E R • LABORATORIO
iv
FABRICACIÓN DE UNA PILA ELÉCTRICA Objetivo te con algodón o papel filtro, por los dos lados del tubo en U.
Conocer el funcionamiento de una pila eléctrica. Materiales Láminas de zinc y cobre de 20 cm x 2 cm en las que se realiza un agujero en cada uno de los extremos, alambre de cobre (aquellos que utilizan para la luz), vasos de precipitación de 50 mi, tubo de vidrio en forma de U (puede utilizarse una manguera de inyectar sueros), tubos de ensayo, algodón o papel filtro, voltímetro (si es posible). Reactives Soluciones al 10% de cloruro de sodio, sulfato cúprico, sulfato de zinc. Técnica 1.
En el orificio de cada lámina metálica, introduzca la punta del alambre de cobre de unos 20 cm, entorche para que sirvan de electrodos.
2.
En un vaso de precipitación ponga la solución de sulfato cúprico y en el otro la solución de sulfato de zinc.
3.
Prepare el puente salino en el cual pondrá la solución de cloruro de sodio y lo taponará fuertemen-
36
Física y Química
4.
Conecte las soluciones de los vasos mediante el puente salino.
5.
Introduzca las láminas de cobre en cada vaso.
6.
Mediante los alambres, conecte a un voltímetro a fin de que detecte el paso de la corriente (puede conectar un foco de linterna de 1.5 V). Voltímetro
BLOQUE
Fotocopiar esta página para realizar la prueba
EVALUACIÓN Fecha:.
:~o-e:
Calificación:,
Curso:
Prueba objetiva 1,
Escriba, dentro de un paréntesis la letra V o F si considera que la respuesta es verdadera o falsa.
b. Los metales conducen corriente eléctrica debido a la presencia de: a . Alta energía de ionización.
a. La mayor energía del electrón se encuentra en el nivel 1.
(< )
b. El llamado"flujoeléctrico"tiene masa.
(?)
(v)
d. Amperio es igual a Culombio por voltio.
( f)
( )
f. El azúcar común o sacarosa es un electrolito.
( )
( )
h. Es lo mismo equivalente químico que masa molecular.
a. Hay reacción y produce energía.
c. Hay equilibrio químico. d. El paso de un coulombio por determinado punto de un conductor, durante un segundo, corresponde a la siguiente unidad:
§ . El cloruro de sodio anhidro conduce la corriente eléctrica.
ca que:
b. No hay reacción.
e. Un aparato de TV constituye una resistencia eléctrica.
c. Electrones móviles. c. Si el potencial de reacción es positivo, esto indi-
c. Los electrones libres están localizados en los niveles.
b. Alta eiectronegatividad.
a . Faraday b. Voltio
( )
i. Una pila de Zinc - Carbón es una pila seca. ( )
c. Amperio e. En la electrólisis del CaCl fundido, la especie 2
j . En un acumulador de plomo se utiliza ácido sulfúrico. 2.
( )
que reacciona con el electrodo negativo es: a. Ca
Encierre en un círculo la letra de la respuesta que
b. C a
considera correcta. Tiene 3 opciones.
c.
a. La reacción que representa una reducción es: a. N a
• Na + 1 e"
+1
0
b. CI"' + 1e" c. N a
+l
+ 1e~
1
f. En una celda galvánica, el cátodo: a. Atrae los iones positivos. b. Gana electrones.
• Cl° Na
cr
+ 2
0
c. Es fabricado de carbono.
Bachillerato General Unificado
37
BLOQUE
3.
1
Establezca una clara diferencia entre:
Fotocopias-esta página para realizar ia prueba 6.
Encontrar el equivalente electroquímico del hierro en el cloruro férrico (Fe = 55,849).
a . Ánodo y cátodo.
b. Celda electrolítica y celda galvánica.
7.
Explique
cómo
están
constituidas
y
cómo
funcionan: c. Pila seca y pila alcalina.
a . La batería de plomo.
d. Conducción electrolítica y conducción electrónica.
4.
b. La pila seca.
Escriba las reacciones que se producen en la descarga del acumulador de plomo.
8.
¿Cuántos gramos de sodio se obtendrán por electrólisis del cloruro de sodio fundido, si el proceso se realiza durante una hora y con una corriente de un amperio?
5.
Calcular la constante de Faraday tomando como ejemplo el cobre divalente de masa atómica 63,54 g.
38
Física y Química
1
BLOQUE
1.6 CAMPO MAGNETICO DE UNA CORRIENTE ELÉCTRICA MAGNETISMO
Manera de determinar. Experimentalmente se ha observado que se puede conocer los polos utilizando una barra de un imán, que al acercarla a limaduras de hierro son atraídas en su totalidad a los extremos de la barra, a los que se los llama polos.
La palabra magnetismo se io usa como un homenaje a la ciudad localizada en el continente asiático llamada MAGNESIA en donde existían unas piedras preciosas especiales que tenían la propiedad de atraer fragmentos pequeños de hierro.
:sss
Los cuerpos se dividen en dos grupos: 1.
2.
r
Cuerpos magnéticos. Son aquellos que pueden adquirir esta nueva forma de energía, pues, se imantan con mucha facilidad. Cuerpos no magnéticos. Aquellos que no pueden imantarse por ningún método.
1.6.1 POLOS MAGNETICOS DE UN IMÁN
limaduras de Fe
Si se coloca una barra imantada sobre un eje a fin de que gire a manera de ruleta. Cuando está en reposo, ia punta de la brújula señala al norte y, obviamente el otro extremo señalará el sur. Por lo tanto en un imán existirán dos polos: el norte y el sur.
Magnetismo. Es la propiedad que tienen ciertos cuerpos de atraer fragmentos de algunos cuerpos.
La propiedad de atracción que tiene un imán natural puede ser trasmitida al acero, ya sea por contacto prolongado o por frotamiento unidireccional en los dos lados.
-
limaduras de Fe
4
La propiedad natural que presenta la hematita la po\, también otros metales como el níquel, cobalto, \. Estos imanes se llaman naturales porque exisI ten otros que son hechos por la mano del hombre y se llaman
Polo iiil I I " -
/
Análisis químicos de• muestran que se trata de óxido ferroso - férrico, llamado hematita o piedra imán ( F e 0 ) 3
Barra imantada
N
Piedra imán
Virutas de hierro
r ?
Polo -=£
Polo norte de un imán es aquel que siempre se orienta al norte geográfico de la Tierra y el polo sur al lado contrario. Con estos principios se construyó la brújula o agujas magnéticas, que permiten la orientación en las grandes travesías del mar. Los polos de un imán se llaman "polos magnéticos''. Polos magnéticos del mismo nombre o signo se repelen, y de nombre contrario se atraen. Esta ley tiene semejanza cuando en el tema referente a electricidad se habla de la ley de Coulomb, que dice: "Cargas eléctricas del mismo signo se repelen, pero de signo contrario se atraen".
: se repelen
se repelen
5
N
se atraen
Bachillerato General Unificado
39
BLOQUE
1
INSEPARABILIDAD DE LOS POLOS
Se concluye que: La corriente eléctrica produce efectos magnéticos.
/ N
LZZ
S
N Nunca se puede separar así
Una propiedad muy particular e interesante que presentan los imanes es que no puede separarse o cortar por la mitad, por un lado el polo sur y por otro el polo norte. Siempre obtendrán juntos el polo norte y el polo sur, como se observa en los gráficos. En resumen: Nun\a se puede dividir un imán e n polo sur y polo norte.
C a m p o magnético se define como la zona circundante a un imán q u e se halla influenciada directamente por este dispositivo. O también: Es la z o n a cercana a un imán que está influenciada por éste y lo hace en la misma f o r m a c o m o lo hace e n un c a m p o eléctrico.
ELECTRICIDAD + MAGNETISMO "
ELECTROMAGNETISMO Hasta antes del año 1820 se consideraba que la electricidad y el magnetismo, eran fenómenos muy diferentes. Pero algunas observaciones y pruebas experimentales demostraron que lo dicho no era totalmente correcto, utilizaron los siguientes hechos. En el año 1820, el físico Cristian Oerstel mediante sus investigaciones demostró que entre la electricidad y el magnetismo existe una íntima relación. Por lo tanto de esta unión nace el electromagnetismo. Este científico comprobó que al colocar una brújula en forma paralela a uno de los alambres de un circuito eléctrico no conectado, no ocurría ningún fenómeno, la brújula no se orientaba. Pero si el circuito se conecta, la brújula se pone en posición perpendicular al conductor y la brújula se orienta.
Imán
• —«f—
Los campos magnético y eléctrico son iguales en lo que se refiere a su conformación. En electricidad se sabe que "Cuando cargas eléctricas se encuentran en reposo, entre ellos existe la llamada f u e r z a electrostática, pero cuando se mueven da lugar al nacimiento de una fuerza llamada f u e r z a magnética.
, Con cargas eléctricas en reposo existe la fuerza electrostática
40
Física y Química
se orienta está conectado
Líneas de fuerza
Campo magnético
o
no oscila está desconectado
_ -
» > Q
i
Con cargas eléctricas en movimiento se crea una nueva fuerza: magnética
Es decir que una carga eléctrica en movimiento hace que se forme un campo eléctrico que actuará sobre otra carga móvil, dando lugar al nacimiento de la fuerza magnética, observándose la íntima relación entre la electricidad y el magnetismo y la nueva rama de la física llamada electromagnetismo.
1
BLOQUE h j N E A S D f F U E R Z A MAGNÉTICA O DE INDUCCIÓN/
y-i. vr y Todo mineral con propiedades magnéticas (magnetita) Imán p e r m a n e n t e . Imán de acero que conserva las propiedades magnéticas después de haberlo separac e da! flujo que !c magnetizó. Imán d e h e r r a d u r a . Imán o electroimán permanente de forma semejante a una herradura de caballo. En líneas anteriores, al tratar sobre magnetismo y electromagnetismo se han mencionado brevemente las propiedades de un imán; ahora el concepto de imán es:
Las líneas magnéticas o de inducción en líneas cerradas que salen del polo norte entran en ei polo sur, luego por el interior del imán. Líneas que casi se unen cuando se acercan a los polos (ver entrada por el polo sur).
Los cuerpos que poseen polos magnéticos se llaman imanes. Existen imanes naturales como la magnetita ( F e 0 ) e imanes artificiales aquellos que han adquirido la propiedad de atraer cuerpos mediante diferentes procedimientos como ocurre con los aceros. Pueden tomar diferentes formas: barra recta, herradura, etc. 3
Se concluye que las líneas de f u e r z a no s o n sino líneas imaginarias que se disponen de acuerdo a las atracciones y repulsiones magnéticas. El conjunto de líneas de fuerza se llama carapc
,
4
APOLOS MAGNÉTICOS
i ...
Un sencillo experimento forman las líneas de fuerza o de inducción magnética. Al colocar limallas o limaduras de hierro sobre un papel, ocurre la orientación y atracción por medio de un imán en forma de barra que se ve sobre el papel.
1.7
Se definen como: Las regiones donde se concentra el magnetismo y son dos: el polo norte y el polo sur. Polo norte (N) o positivo el que está orientado o señala hacia el polo norte geográfico de la Tierra.
IMANES Y CIRCUITOS MAGNÉTICOS
0k
Polo sur (S) o negativo es aquel que se orienta o señala el polo sur geográfico de la Tierra. Los gráficos de los imanes constan en lo explicado anteriormente. ....
:'
•
Los siguientes conceptos son útiles para comprender mejor el estudio propuesto, según el libro "Manual Práctico de Electricidad". . Masa de hierro, acero u otro material cualquiera que tiene la propiedad de atraer o repeler a otras masas metálicas, gracias al campo magnético que genera en su entorno. Bachillerato General Unificado
41
BLOQUE
1
Una brújula, es un instrumento que permite determinar la orientación con respecto a la superficie terrestre, a través de una aguja que indica la dirección del norte magnético. Generalmente consiste en un recipiente con tapa transparente, en cuyo interior una aguja imantada, montada sobre un eje o flotando en medio acuoso (como el keroseno, para mayor estabilidad en la indicación), señala este norte magnético.
hoy en día es más común emplear el término de compás magnético.
1.8 GALVANÓMETROS, AMPERÍMETROS Y VOLTÍMETROS 1 . 8 . 1 GALVANÓMETRO
Con respecto a la historia de la brújula, se cree que sus orígenes datan del año 2500 antes del nacimiento de Cristo. Es más, en toda Asia, era ampliamente utilizada, para el siglo III, después de Cristo. La brújula desarrollada por los chinos, estaba compuesta por un trocito de caña. En el cual se insertaba una aguja magnetizada, la cual a su vez, se hacía flotar en el agua. Con este sencillo procedimiento, se podía conocer el norte magnético. El magnetismo era conocido y utilizado por aquellas culturas. Asimismo, para el siglo XII, ya existía en Europa un tipo de brújula bastante rudimentaria, pero brújula al fin y al cabo. De igual manera, los árabes se interesaron en esta ¡dea y se llevaron consigo hacia el oriente. Con respecto a la brújula marina, esta fue desarrollada a fines del siglo XIV y comienzos del siglo XV, en Italia. Esta brújula era muy parecida a la que existe hoy en día. Más adelante, incluso apareció y se incorporó a la brújula, la rosa de los vientos, la manera más práctica, para ubicarse en ultramar. Los únicos lugares en donde la brújula tradicional no es muy útil son aquellos cerca de los polos, en donde las líneas de fuerza del campo magnético terrestre convergen; para solucionar este problema se comenzó a experimentar con diversos tipos de artefactos, manteniendo básicamente el mismo principio. A comienzos del siglo XX, se crea una revolución en cuanto al diseño del instrumento. Ya que se crea la brújula giroscópica. Esta señala el norte verdadero, en vez del norte magnético; con un disco girando a gran velocidad operado mediante la energía eléctrica y las fuerzas de fricción donde se logra aprovechar la rotación del globo terráqueo. La brújula giroscópica es la tecnología más avanzada en la materia, por lo que, es la que actualmente utilizan los transatlánticos o buques de guerra en ultramar; versiones modificadas de esta se usan también para la aviación moderna. Para referirnos a la brújula
42
Física y Química
El galvanómetro es un aparato que registra el paso de la corriente eléctrica. En la circulación de la corriente eléctrica por un conductor y su intensidad se emplea un dispositivo llamado galvanómetro, que lleva una escala graduada en amperios, cuyo valor se mide mediante una aguja o puntero muy sensible. Existen dos clases de galvanómetros de acuerdo a la intensidad de corriente eléctrica, y naturalmente los amperios o microamperios.
-
,
Una conexión eléctrica se arma en serie para medir la intensidad del circuito, valor que indica la aguja del amperímetro como se observa en el gráfico. El amperímetro lleva una pequeña resistencia. De acuerdo a la intensidad, el galvanómetro toma diferentes nombres así: . '. Que mide directamente ia intensidad de la corriente, está graduado en amperios. Microamperímetro. Es un dispositivo más sensible que el anterior porque la intensidad mide en microamperios. La corriente eléctrica sale de la batería, circula por el conductor, pasa por una pequeña resistencia y va directamente al amperímetro para indicar la cantidad de corriente, es decir la intensidad en amperios o microamperios.
BLOQUE
1
Se debe recalcar que el voltímetro no está conectado ; :' • : , . c o r n o ocurre en el amperímetro, se recomienda ver los gráficos del uno y del otro circuito. !
En el voltímetro va instalado un dispositivo que mide en voltios.
Tómese en cuenta que el amperímetro se conecta directamente a! circuito, por lo que la corriente pasa por el mismo.
1.8.2
V=X
VOLTIMETRO
V = 0,005 A
Es un aparato que mide la diferencia de potencial o voltaje.
v=x El presente circuito da una intensidad de 0,005 A aplicado a una pequeña resistencia de 3 Q. Se pregunta cuál es la tensión o voltaje.
O también: El voltímetro mide la tensión entre dos puntos.
Fórmula V=hR
Datos I = 0,005 A R = 3Q V= X
V = 0,005 A x 3 O V = 0,15V
En resumen se tiene: • • .. Aparato eléctrico que sirve para medir corrientes de pequeña intensidad en amperios.
E J E R C I C I O S PARA RESOLVER EN CASA Conteste, en su cuaderno de deberes, el siguiente cuestionario y entregue para su calificación. 1.
¿Qué propiedad tiene un imán y cómo está constituido? Utilice un gráfico para la explicación.
4.
Utilizando un gráfico demuestre la ley que dice: "Polos magnéticos del mismo nombre se repelen, y de nombre contrario se atraen".
5.
Explique qué son y cómo se forman las líneas de fuerza. f~
¿Qué ocurre si mediante una sierra parte un imán 6. por la mitad? , ——»
Mediante gráficos, explique la diferencia que existe entre un amperímetro y un voltímetro, especialmente en la colocación de la resistencia.
Si tiene una mezcla de azufre y hierro en polvo, cómo puede separar los componentes usando un imán. Explique utilizando un gráfico. 3.
alprofesor(a)
í
Bachillerato General Unificado
43
