LAS MATERIAS PRIMAS EN LA NATURALEZA

Reunidos en grupos dialoguen sobre las formas como el hombre extrae algunos materiales de la naturaleza, teniendo en cuenta que estos generalmente se encuentran mezclados con otros.

¿Cómo se extrae la sal del agua de mar para su posterior comercialización?¿Cómo se separa el petróleo del agua con la que viene mezclada luego de ser sacado del pozo petrolero?

TIPOS DE MATERIALES

Los materiales que conforman los cuerpos y en General todo lo que conocemos, puede estar constituido por sustancias naturales o artificiales y sintéticas. Los materiales naturales se obtienen en la naturaleza y son por ejemplo la madera, el oro, la arcilla, el algodón, la lana, entre otros, que usamos normalmente para construir elementos de uso diario, por ejemplo nuestros vestidos y demás utensilios domésticos. Sin embargo gracias al desarrollo tecnológico, se ha logrado desarrollar de forma artificial nuevos materiales a partir de sustancias naturales, los cuales son conocidos como artificiales y sintéticos. Específicamente los materiales sintéticos son aquellos creados a partir de procesos industriales los encontramos haciendo parte de diferentes artefactos, como son los plásticos, constituyentes básicos de múltiples utensilios de cocina, juguetes, aparatos electrónicos, muebles, entre otros. Habrán escuchado sobre elementos artificiales que semejan a elementos naturales, con los cuales se fabrican muebles, que por ejemplo simulan ser madera, pero que no es más que una modificación artificial de la madera natural, que permite reducir los costos de producción.

1. Mapa conceptual tipos de materiales

Algunos ejemplos son:

Artificiales: el papel, el bronce, el latón, el vidrio, la cerámica, el cristal el acero, lycra, el pegamento, el teflón. 

Sintéticos: acrílico, polietileno, el nylon, el poliestireno, el plástico, 

naturales: el látex, la madera, la piedra, el granito, el algodón, el oro, el petróleo, la arena 

Identifico materiales en elementos de uso diario

Clasifiquen los siguientes elementos de uso diario de acuerdo si están fabricados con materiales naturales, artificiales y sintéticos, marcando con una X. Elemento Natural Artificial Sintético Cepillo de dientesEquipo de sonido

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Seda dentalJabón Cuadernos Olla de aceroTraje de bañoCamiseta de algodón La gasolinaCarpeta plásticaCarpeta de cartónGas domiciliario

LA MATERIA

Materia es todo aquello que existe en la naturaleza y cuya característica fundamental es presentar masa y volumen, a pesar de que en algunos casos bola podamos ver, por ejemplo, el aire tiene más a así no lo sintamos pesado encima de nosotros. Todo lo que existe en el universo es materia, el cuerpo y la ropa que llevamos puesta es materia. Sin embargo la materia está constituida por partículas muy pequeñas, incluso de menor tamaño que una célula, que reciben el nombre de átomos. Estas partículas se unen unas con otras y forman objetos y los cuerpos que conocemos. En una sesión posterior estudiaremos el átomo y su estructura.

2. Mapa de conceptos clasificación de la materia: https://lh3.googleusercontent.com/-4JOyMEgiMtQ/UJVCtyr_7jI/AAAAAAAAHw8/5f9ENEM0xH4/s603/clasificamateria.png

La materia como lo observamos en el mapa conceptual anterior, se puede clasificar de acuerdo al estado de agregación o según su aspecto a simple vista de la siguiente manera:

Según el estado de agregación se clasifica en sólido, líquido y gaseoso. Cada uno de estos estados presenta características físicas especiales, entre las cuales se destaca la energía cinética y la distancia inter molecular presente en las moléculas o Átomos que la constituyen.

Átomos y moléculas

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Recuerden que los átomos son las partículas más pequeñas que constituyen la materia, los cuales al unirse a través de uniones químicas, forman las moléculas de las sustancias que conocemos. Los átomos de acuerdo a su estructura se clasifican en diferentes elementos químicos, los cuales aparecen referenciados en lo que conocemos como la tabla periódica de los elementos. Ejemplo de ellos son el oxígeno, el hidrógeno, el nitrógeno y el carbono.

3. Imagen tabla periódica Nota: en lo posible como esta donde se muestran los usos de los elementos

Como lo observamos en la tabla, cada elemento de acuerdo a sus propiedades, es utilizado en diferentes aparatos o invenciones de uso diario.

Si unimos químicamente en proporciones determinadas al oxigeno, el hidrógeno y el carbono podemos conformar una molécula de glucosa (azúcar) que se representa a través de la formula química C6H12O6. En esta fórmula se muestra que la molécula de azúcar, está conformada por 6 átomos de carbono, 12 átomos de hidrógeno y 6 átomos de oxígeno.

4. Modelo del átomo

En el grafico se observa uno de los modelos (construcción mental para explicar la forma y estructura interna del átomo, ya que no se cuenta actualmente con aparatos que permitan observar un átomo en su constitución) del átomo, en donde la esfera céntrica se conoce como núcleo, y las esferas más pequeñas giran alrededor de este en órbitas elípticas. Este es el modelo formulado por el físico Rutherford en 1911, pero en la actualidad se cuenta con modelos más sofisticados, resultados de la experimentación científica.

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5. Modelo de una molécula

En el grafico de la molécula de glucosa podemos observar la unión química de los átomos de carbono, oxígeno e hidrógeno.

En conclusión

Las sustancias químicas están conformadas por átomos ó moléculas. Los átomos son tipos de elementos y los encontramos representados en la tabla periódica. Las moléculas resultan de la unión química de dos o más átomos.

Los estados de la materia

Las distancias inter moleculares o inter atómicas, se refiere a la distancia que existe entre los átomos o entre dos moléculas que constituyen un material. La energía cinética se refiere a la energía de los cuerpos que se encuentran en movimiento, que consumimos en sesiones anteriores, está aumenta al incrementarse la temperatura, es decir que las moléculas se mueven o vibran a mayor velocidad incluso en los sólidos, al aumentar la temperatura.

6. Estados de la materia http://www.artinaid.com/wp-content/uploads/2013/02/La-Materia.gif

Como se observa en la gráfica en el estado sólido las moléculas representadas por las esferas, se encuentran unidas y su movimiento es casi nulo. En el estado líquido las moléculas se encuentran más separadas, y lo que permite un mayor movimiento. En el estado gaseoso la molécula se encuentran aún más separadas (mayores espacios inter moleculares) y el movimiento de sus partículas es mucho más acelerado (mayor energía cinética). Estos cambios generalmente obedecen a modificaciones de la temperatura, de tal manera que un incremento de esta hace que los sólidos se conviertan en líquidos y los líquidos en gases. Es decir que el aumente la temperatura genera una elevación en la energía cinética de las partículas alavesa que hace que éstas se alejen aumentando las distancias inter moleculares. Una disminución en la temperatura, por lo tanto, traerá un efecto secundario, convirtiendo un gas en líquido y un líquido en un sólido. Cada uno de estos cambios de estado tiene un nombre específico como lo muestra la figura:

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7. Cambios de estado

Estos cambios de estado son denominados cambios físicos, porque en no involucra el cambio en la composición química de las sustancias, sino simplemente un estado de agregación. Los cambios químicos se caracterizan entonces porque cambia la composición química de las sustancias y por lo tanto sus propiedades químicas y físicas también cambian.Cuando se combina dos sustancias para formar una mezcla, por ejemplo agua y sal, cambian las propiedades físicas del agua y de la sal, como lo es el sabor, el punto de ebullición, la conductividad eléctrica, pero no sus propiedades químicas, es decir que los compuestos químicos al mezclar agua y sal, no cambian.

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Cambio físico y cambio quimico

A partir del esquema estudien las diferencias entre cambio químico y físico, propongan unos ejemplos adicionales y socialícenlo con el docente y el resto de la clase

Sustancias homogéneas y heterogéneas

Volviendo al mapa conceptual anterior, no se indica que la materia está constituida por sustancias homogéneas y sustancias heterogéneas. En una sustancia homogénea no se distinguen los componentes de esta. Pueden estar constituidas por una mezcla de varias sustancias, las cuales se disuelven entre sí, o también pueden estar constituidas por una sola sustancia, la cual puede ser una molécula o un átomo. Tengan en cuenta que en el grafico las moléculas son denominadas compuestos y los Átomos, son denominados elementos. Las sustancias o mezclas heterogéneas, están constituidas por la combinación de dos o más sustancias, las cuales se pueden observar por separado, por ejemplo cuando se mezclan agua y aceite, quedando una capa superior de aceite y una capa inferior de agua.

Repasen un poco

Realice en una lectura del siguiente mapa de conceptos, tratando de definir cada uno de los aspectos allí mencionados

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PROPIEDADES DE LA MATERIA

La materia tiene propiedades generales y particulares. Las propiedades generales son aquellas que son comunes a todas las sustancias. Las propiedades específicas, como su nombre lo indica, son propias de cada sustancia de acuerdo a su composición.

Propiedades generales

Masa: es una medida de la cantidad de materia que posee un cuerpo. Para medir la masa se utiliza una balanza.

Volumen: el volumen nos indica la cantidad de espacio que ocupa un cuerpo.

Temperatura: la temperatura de un cuerpo es una propiedad General de la materia que se mide con el Termómetro. La unidad en la que se mide la temperatura es el grado centígrado (°C).

Propiedades específicas

Densidad: en sesiones anteriores estudiamos que la densidad es la relación matemática entre la masa y el volumen. Su expresión matemática es D=M/V

Punto de ebullición: se llama punto de ebullición a la temperatura que un líquido y hierve. Esta temperatura no depende de la cantidad de líquido que tengamos, depende de la naturaleza del líquido.

Punto de fusión: se llama punto de fusión a la temperatura que un sólido pasa a líquido. Esta temperatura tampoco depende de la cantidad del sólido que tengamos.

Conductividad eléctrica: algunos materiales conducen la corriente eléctrica y se llaman conductores, y otros no conducen la corriente eléctrica y se llaman aislantes.

Conductividad térmica: se define como la capacidad para conducir el calor. Los materiales que conducen el calor se llaman conductores térmicos, y los que no se denominan aislantes térmicos.

Otras propiedades específicas son

Dureza: Es la resistencia que presenta un sólido a ser rayado. El material más duro es el "diamante" y el menos el "talco".

Tenacidad: Es la oposición que presenta un cuerpo sólido al fraccionamiento (rotura).

Maleabilidad: Propiedad por la cual los metales se pueden transformar hasta láminas.

Ductibilidad: Propiedad por la cual los metales se pueden transformar hasta alambres o hilo.

Brillo: Propiedad por la cual un cuerpo refleja la luz.

Elasticidad: Es la capacidad que presentan algunos sólidos para recuperar su forma original una vez que deja de actuar la fuerza que los deformaba. (Los cuerpos que no recuperan su forma se llaman "cuerpos plásticos").

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Viscosidad: Es la resistencia que presenta los fluidos en su desplazamiento. Esta dificultad disminuye al aumentar la temperatura. 

Para recordar Realicen un alto en el desarrollo de esta sesión y dialoguen sobre las definiciones de las propiedades intensivas contenidas en los recuadros

8. Propiedades físicas

PARA RECORDAR

A partir del esquema realicen un repaso sobre los estados de la materia y sus características

9. http://3.bp.blogspot.com/-YtjzLHbrzNc/UOEYtUgIMQI/AAAAAAAAAS8/XEHT8KV697I/s1600/ ESQUEMA+-+ESTADOS+DE+LA+MATERIA.jpg

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LAS MEZCLAS

Las mezclas son la combinación de dos mas sustancias, pero que no pierden su composición química. La mayoría de los productos alimenticios, de aseo, entre otros, son mezclas de varias sustancias. A su vez, las sustancias químicas en la naturaleza por lo general no se encuentran puras, sino haciendo parte de una mezcla, por lo cual para su aprovechamiento se hace necesario separarla de la mezcla que la contiene. Es por esto que el hombre ha tenido que crear diferentes mecanismos físicos y químicos para poder aislar un producto y aprovecharlo para el uso humano. A estos mecanismos se les ha dado el nombre de métodos de separación de mezclas.

Los tipos de mezclas y su separación

A continuación estudien el mapa conceptual y respondan:

Las mezclas se clasifican en homogéneas y heterogéneas, ¿Cuáles son las diferencias entre ellas?, formulen algunos ejemplos de cada una.

En el mapa anterior se puede notar que las mezclas homogéneas pueden ser liquidas (disoluciones) o solidas (aleaciones). ¿Cómo se forma una aleación y una disolución?

Métodos de separación de mezclas

Como observamos en el mapa conceptual anterior los métodos de separación de mezclas son procesos físicos por los cuales se pueden separar los componentes de una mezcla, ya sean homogéneas o heterogéneas. El método a utilizar se define de acuerdo a las características de los componentes de la mezcla. Este proceso de separación somete la mezcla a un tratamiento que la divide al menos en dos de los componentes que la forman sin que cambien sus propiedades químicas. Las características físicas que se aprovechan para separar los componentes ser una

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mezcla son por ejemplo la solubilidad, el tamaño, la densidad y el punto de ebullición. Los métodos de separación de mezclas más comunes son:

Filtración: es un método que separa sólidos de líquidos utilizando una malla que permite atrapar en ella los sólidos insolubles (que no se disuelven), dejando pasar solamente el líquido con las sustancias que se encuentren disueltas en el, por ejemplo al separar arena y agua podemos utilizar una malla o filtro el cual atrapa la arena y deja pasar solamente el agua.

Evaporación: este método de separación es utilizado para separar en mezclas homogéneas un sólido insoluble y no volátil (que no se evapora) de un líquido. El método consiste en calentar la mezcla para permitir que el líquido se evapore y quede en el fondo del recipiente solamente el sólido que estaba disuelto, ya que éste a diferencia del líquido no se puede evaporar. Ejemplo de esto es la mezcla de sal y agua, en donde al calentar la mezcla se evapora el agua y queda en el recipiente la sal que estaba disuelta en ella.

Decantación: este método separara mezclas heterogéneas resultado de la combinación de dos sustancias insolubles, a partir de su diferencia de densidad, lo cual permite que la sustancia más densa, la cual puede ser sólida o líquida, se decante (se deposite en el fondo) y la sustancia menos densa quede suspendida encima de ella. Ejemplo de esto es la separación del agua y el aceite, los cuales no son solubles, y al mezclarlos se puede observar que el agua que era en el fondo del recipiente y el aceite se ubica encima del agua. Cuando el procedimiento se hace en el laboratorio se puede utilizar un embudo de decantación el cual es un recipiente de vidrio que en su parte inferior tiene una llave de paso, el cual permitirá que al abrir la llave, salga en primera instancia solo el agua, teniendo la oportunidad de cerrar la llave cuando está haya salido totalmente, quedando en el interior del embudo solamente el aceite, el cual se encontraba en la parte superior de la mezcla.

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Destilación: es un método de separación de mezclas homogéneas formadas por dos líquidos, a partir de su diferencia en los puntos de ebullición. Recuerden que el punto de ebullición es la temperatura la cual el líquido se convierte en un gas. El procedimiento consiste en calentar la mezcla hasta la menor temperatura de ebullición de los dos líquidos. De esta manera, si se mantiene constante la temperatura, solamente se evapora del líquido de menor punto de ebullición. La sustancia en estado gaseoso se hace pasar a través de un condensador, el cual es un aparato que maneja temperaturas bajas permitiendo que el gas caliente recién evaporado se enfríe y se transforme en un líquido (proceso denominado condensación). El proceso se muestra en el siguiente gráfico

Obtención de los derivados del petróleo

La destilación fraccionada es un proceso utilizado en la refinación del petróleo; su objetivo es separar sus diversos componentes mediante calor, como se representa en el siguiente esquema.

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Si en la torre de destilación se daña el sistema de calentamiento, impidiendo llegar a temperaturas superiores a 250°C, se esperaría separar

A. aceites ligeros y diesel.B. diesel y gasolina.C. gasolina y queroseno.D. aceites pesados y parafina.

Disolución: es un proceso de separación de mezclas conformadas por dos sólidos, donde uno de ellos debe ser soluble en un líquido disolvente, por ejemplo agua, y el otro debe ser insoluble. El procedimiento consiste en aplicar a la mezcla de los dos sólidos un líquido que permita disolver a uno de los dos, y posteriormente a través de un proceso de filtración, poder separar el sólido que no se disolvió. Por ejemplo en la mezcla de arena y sal, es posible separar la arena de la sal agregando agua que permita disolver la sal, y posteriormente separar la arena por filtración.

Aplicaciones en la vida diaria

A partir de lo estudiado completen la siguiente tabla indicando el método de separación empleado en el proceso de la vida cotidiana que se describe.

Actividad de la vida diaria Método de separación empleadoColar el jugo de fruta después de licuarloDejar quieta el agua cuando esta embarrada para dejar que el barro de deposite en el fondoMalla colocada en la bocatoma de un acueducto para retener los sólidos (hojas, basura, etc.)Producción de sal en la guajira, la cual se logra construyendo piscinas en la playa a las cuales se les vierte agua de mar y se espera que el sol evapore el aguaMaya o zaranda utiliza por los constructores para sacar la grava(piedras de gran tamaño) de la arenaSeparación del agua que viene mezclada con el petróleo luego de sacada del pozo, dejando la mezcla quieta en grandes estanques.

CIERRE

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OBTENCIÓN DE BEBIDAS ALCOHÓLICAS

La mayor parte de las bebidas alcohólicas que conocemos hoy en día son obtenidas a través de procesos de destilación de un fermento llamado mosto. Recuerden que la fermentación es un proceso biológico realizado generalmente por hongos los cuales convierte en los azúcares en alcohol. Este proceso de fermentación para producir bebidas alcohólicas ha sido llevado a cabo por el hombre a lo largo de su historia y que en nuestro país el ejemplo más conocido es la chicha. Al fermentar harinas o azucares también se produce otra serie de sustancias además del etanol que es el compuesto base de las bebidas alcohólicas. Por esta razón es necesario realizar un proceso de separación de mezclas que permita separar el etanol y el agua dejando de lado sustancias como el metanol, el cual puede producir ceguera permanente al ser ingerido (conocido como alcohol adulterado). Sin embargo dependiendo de lo que se fermente y su posterior proceso de destilación, se obtendrá una bebida alcohólica especial. Las bebidas destiladas son las descritas generalmente como aguardientes y licores; sin embargo la destilación, agrupa a la mayoría de las bebidas alcohólicas que superen los 20º de carga alcohólica, lo cual significa que el 20% del líquido que se contienen la botella es etanol puro y el restante 80% es agua, sustancias aromatizantes, saborizantes, entre otras.

Entre ellas se encuentran bebidas de muy variadas características, y que van desde los diferentes tipos de brandy y licor, hasta los de whisky, aguardiente o anís, tequila, ron, vodka, cachaca y gin entre otras. El ingreso monetario que aporta la elaboración de estas bebidas a los gobiernos de los distintos países del mundo es tan grande, que la destilación es una de las industrias y actividades más supervisadas y reguladas a lo largo del planeta.

Recuerden que el principio de la destilación se basa en las diferencias que existen entre los puntos de fusión del agua (100ºC) y el alcohol (78.3ºC). Si un recipiente que contiene alcohol es calentado a una temperatura que supera los 78.3ºC, pero sin alcanzar los 100ºC, el alcohol se vaporizará y separará del líquido original, para luego juntarlo y recondensarlo en un líquido de mayor contenido alcohólica. 

Así, de comprender el proceso de destilación se deduce que los mayores componentes de las bebidas destiladas son el alcohol etílico (C2H5OH) y el agua. Generalmente los materiales de los que se parte para la elaboración de bebidas destiladas, son alimentos dulces en su forma natural como la caña de azúcar, la miel, leche, frutas maduras, etc. y aquellos que pueden ser transformados en melazas y azucares. Todos estos elementos de los que se parte contienen agentes activos que los transforman naturalmente en alcoholes, excepto en el caso de la papa donde se debe adicionar algún cereal para lograr el mismo efecto.

Las bebidas alcohólicas que incluyen destilación en su proceso de elaboración son muchas, y se destacan algunas como Whisky, Vodka, Ron, Brandy, aguardiente, entre otros.

TRATAMIENTO DE LAS AGUAS PARA EL CONSUMO HUMANO

Los acueductos son el mejor ejemplo de la utilización de diferentes métodos de separación de mezclas. En el tratamiento del agua para el consumo humano se puede evidenciar procesos como la filtración y la decantación.

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En el esquema se muestra las etapas de la potabilización del agua que se extrae de un río. Cómo sabemos estas aguas, llamadas aguas crudas, pueden estar contaminadas por microorganismos o sustancias químicas y contener barro y arena en suspensión (parcialmente disueltas). Por este necesario llevar a cabo una serie de procesos que permitan el agua que llega a los consumidores dichos elementos.

El agua del río es conducida a través de canales hasta la planta de tratamiento en donde se encuentra una recta, ya que permite la entrada del agua y retiene los sólidos de gran tamaño, proceso que es conocido con el nombre de filtración. Sin embargo esta filtración no permitirá separar los sólidos pequeños, ya que estos lograrán atravesar el entramado de la reja por ser más pequeños que ella. Esto sólidos son por ejemplo la arena, la cual es extraída en los desarenadores, queso piscinas donde el agua permanece relativamente quieta permitiendo que la harina gracias a su mayor densidad se decante al fondo y el agua continua su paso hacia la siguiente etapa. El barro disuelto en el agua no podrá ser eliminado en el desarenador, debido a que su densidad es tan pequeña que se hace difícil su decantación, por lo cual se hace necesario agregar una sustancia química que facilite la decantación. Esta sustancia es el sulfato aluminio el cual es una sal, que es agregada al agua y permite una coagulación (aglomeración de las partículas de barro pequeñas formando partículas más grandes) del barro disuelto el cual se precipitará al fondo de los estanques. Este proceso es denominado floculización. Posteriormente después de este proceso el agua es conducida hacia filtros que retiran del agua partículas sólidas muy pequeñas que se encuentran suspendidas y finalmente el agua es tratada con cloro para eliminar microorganismos que pueden ser perjudiciales al momento de ingerir el agua.

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