FÍSICA Y QUÍMICA
3º ESO
ADAPTADO A LA LEY ORGÁNICA PARA LA MEJORA DE LA CALIDAD EDUCATIVA
Autores de este libro:
JAIME CARRASCOSA ALÍS
SALVADOR MARTÍNEZ SALA
JOSÉ APARICIO SANMARTÍN
CONSUELO DOMÍNGUEZ SALES
JUAN JOSÉ RUIZ RUÍZ
Revisado en Valencia, 07-junio-2016
© 2016
Generalitat Valenciana
Valencia
NOTA PREVIA
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1
PRESENTACIÓN
Durante este curso vais a tener un primer contacto con la Química y la Física. Tanto una como otra son dos ciencias que se ocupan del estudio de la materia y de los cambios que en ella ocurren. La Física se centra principalmente en el estudio de aquellos cambios en los que no se altera la estructura “íntima” de la materia (el movimiento de los cuerpos, la corriente eléctrica, las ondas, etc.). La Química se ocupa más de los cambios que afectan a las sustancias por dentro, así como de las transformaciones de unas sustancias en otras diferentes (reacciones químicas) y de muchos aspectos relacionados con dichas transformaciones (la cantidad de producto que se va a obtener, la energía implicada, lo rápido que se produce la transformación, etc.).
Al estudiar el movimiento de un cohete propulsor podemos estar interesados en conocer: su posición, su velocidad, la trayectoria que sigue, el tiempo que tardará en llegar a su objetivo, la energía asociada a ese movimiento, etc.; pero también en otras como: el tipo de combustible utilizado, sustancias que se forman cuando este se quema, energía asociada a esa combustión, lo rápido que se gasta el combusti-ble, etc. Señalad cuál de los dos grupos anteriores correspondería fundamental-mente a la Física y cuál a la Química.
Las personas que se dedican a investigar en Física y en Química son científi-cos formados en esas disciplinas. Cabe preguntarse cómo lo hacen, es decir, qué características especiales tiene el trabajo científico (si las tiene) que lo distinga de otros trabajos; qué hacen los científicos cuando investigan, cómo se va construyendo la ciencia. En definitiva: ¿Cómo es el trabajo científico?
En el trabajo científico, la realización de experiencias tiene una gran importancia. Cuando los científicos llevan a cabo experimentos han de medir diferentes magnitudes (longitudes, tiempos, concentraciones, masas, fuerzas, etc.), anotar los datos obtenidos y realizar cálculos numéricos. Para ello utilizan diversos aparatos y técnicas para interpretar los resultados obtenidos. Así pues, tras analizar cómo es el trabajo científico, nos vamos a plantear: ¿Qué es medir? ¿Qué es lo que se mide? ¿Cómo se expresan los resultados de una medida? ¿Qué hacer con los datos obtenidos? ¿Cómo se interpretan los resultados de una experiencia? En resumen: ¿Cómo es y cómo se rea-liza el proceso de medida?
Si analizamos algunos materiales1 como plásticos, maderas, metales, vidrio, etc., de los que están hechos muchos objetos cotidianos (juguetes, vehículos, muebles, etc.), veremos que tienen pro-piedades que pueden ser muy distintas y que los diferencian a unos de otros. Lo mismo ocurre con el aire, agua, mármol, yeso, dióxido de carbono, gasolina, amianto, etc. Unos se encuentran habitualmente en estado sólido, otros líquido y otros en estado gaseoso; unos conducen la co-rriente eléctrica y otros no; unos se queman fácilmente y otros no; los hay ligeros, pesados, du-ros, blandos, más o menos frágiles.... Podemos plantearnos: ¿La diversidad de propiedades exis-tente se debe a que las sustancias que forman los diferentes sistemas materiales son esencialmen-te distintas o, por el contrario, por debajo de tanta diversidad, exisesencialmen-te una estructura íntima común
1 Por material o sistema material, entendemos cualquier trozo de materia, sea cual sea el estado físico en que se
a todas ellas y capaz de explicar no solo las semejanzas que puedan haber, sino también las dife-rencias? Es decir: ¿Cómo es la materia por dentro?
Si por debajo de tanta diversidad de propiedades existiera una estructura básica común para toda la materia, deberían existir también algunas propiedades comunes a todas las sustancias. Esta idea nos llevará a estudiar propiedades como la masa, el peso, el volumen y la densidad y a com-probar que dichas propiedades afectan a toda la materia ordinaria (incluyendo a los gases). Fi-nalmente nos plantearemos ¿cómo podría ser la materia por dentro para poder explicar las pro-piedades observadas? Esta pregunta nos conducirá al establecimiento de un Modelo corpuscular de la materia.
Una vez elaborado el modelo corpuscular de la materia cabe plantearse cómo son esas partículas sumamente pequeñas de que están compuestas todas las sustancias. Para ello, en primer lugar, veremos cómo se presenta habitualmente la materia ordinaria (mezclas, sustancias simples, com-puestos y disoluciones) y en segundo lugar el comportamiento y propiedades de los gases. Todo ello nos conducirá a la Teoría atómica y molecular de la materia. Estudiaremos en qué consis-te dicha consis-teoría y cómo es posible explicar con ella todos los problemas planconsis-teados.
Tras establecer que toda la materia ordinaria está compuesta por átomos, pode-mos preguntarnos cómo son esos átopode-mos. ¿Qué es lo que diferencia a unos átomos de otros? ¿Se trata de partículas elementales o, por el contrario, tienen alguna estructura interna? Es decir, nos vamos a plantear ¿Cómo son los áto-mos por dentro?
La comprensión de la estructura de los átomos resulta fundamental para po-der entenpo-der a su vez cómo pueden unirse unos a otros para formar las distin-tas sustancias existentes y por qué las sustancias tienen diferentes propieda-des (unas se disuelven en agua y otras no, unas son duras y otras blandas, unas conducen la corriente eléctrica y otras no, etc.). Todo ello dará lugar al estudio del Enlace químico.
Llegados a este punto, estaremos en condiciones de plantearnos el problema de cómo explicar que a partir de unas sustancias determinadas, podamos obtener otras sustancias distintas con pro-piedades muy diferentes a las de las sustancias iniciales. Avanzar en este problema supone elabo-rar un modelo de reacción química, coherente con lo que hemos estudiado hasta ahora, y poner a prueba dicho modelo analizando si es capaz de explicar toda una serie de hechos experimentales y resolver también nuevos problemas como, por ejemplo: ¿se puede favorecer una reacción quí-mica y hacer que transcurra más deprisa?, ¿podemos predecir la cantidad de producto que se obtendrá antes de hacer una reacción química? Todo ello conforma el tema de Reacciones quí-micas.
3 Para producir la mayoría de los cambios materiales que nos interesan,
necesitamos disponer de energía. Una forma de disponer de energía es mediante ciertas reacciones químicas (por ejemplo productos explosi-vos). Otra, muy común, es mediante la electricidad. La electricidad está basada en otra propiedad general de la materia (en la que no nos hemos detenido hasta aquí). Se trata de la carga eléctrica (asociada a la existencia de electrones y protones en los átomos). Para terminar, pues, este curso de introducción a la física y química, nos detendre-mos en realizar una primera aproximación a la Electricidad.
Entre otras cosas, nos preguntaremos: ¿Cómo se pueden cargar eléctricamente distintos objetos y cómo es posible que esa carga se mueva de unos a otros? Además estudiaremos también el im-pacto que sobre el medio ambiente tienen las centrales eléctricas, donde se produce la mayor parte de la electricidad que abastece nuestros hogares.
De acuerdo con los problemas anteriores, el índice detallado del curso es el siguiente:
1. Introducción a la metodología científica...7
1. ¿Qué es esa cosa llamada ciencia?
1.1. Algunas ideas simplistas sobre la ciencia y el trabajo científico 1.2. Estudio de algunos aspectos esenciales de la metodología científica 2. El modo de crecimiento de las ciencias
3. Ciencia, tecnología, sociedad y medio ambiente: unas relaciones controvertidas
2. Las magnitudes y su medida...21
1. Magnitud, unidad y valor
2. Sistema internacional de unidades
3. Otras unidades diferentes a las del sistema internacional 4. Cambios de unidades
5. ¿Es posible conocer el valor exacto de una magnitud?
6. Número de cifras decimales con las que expresar un resultado 7. Criterios para redondear el valor medio de una serie de medidas 8. Imprecisión absoluta de una serie de medidas
9. Número de veces que conviene repetir una misma medida 10. Construcción e interpretación de gráficas
11. Análisis de los resultados obtenidos
Anexo: Normas para la construcción de gráficas
3. Estructura corpuscular de la materia...37
1. Algunas propiedades comunes a sólidos y líquidos 1.1. Qué es la masa y cómo se mide
1.2. Qué es el peso y cómo se mide 1.3. Qué es el volumen y cómo se mide
2. Una propiedad que distingue unas sustancias de otras: la densidad 2.1. ¿Qué es la densidad? ¿Cómo se mide?
2.2. Importancia práctica de un metal de baja densidad: el aluminio 3. Naturaleza y comportamiento de los gases
3.2. ¿Los gases pesan?
3.3. Los gases se pueden comprimir y expandir fácilmente
3.4. Los gases cambian de volumen (o la presión que ejercen) cuando se les calienta o enfría 3.5. Los gases se difunden y mezclan unos con otros con mucha facilidad
4. Un único modelo de gas que explique todas sus propiedades 5. ¿Es extensible el modelo a líquidos y sólidos?
5.1. Algunas propiedades de líquidos y sólidos semejantes a las de los gases 5.2. Extensión del modelo corpuscular a líquidos y sólidos
4. Teoría atómica y molecular de la materia...65
1. Mezclas, sustancias, sustancias simples y compuestos 2. Disoluciones
2.1. Concentración de una disolución
2.2. ¿La concentración de una disolución puede ser todo lo grande que se quiera? Concepto de solubilidad
3. La teoría atómico-molecular de la materia 3.1. Teoría atómica de Dalton
3.2. ¿Cómo explicar las reacciones químicas?
3.3. Los cambios materiales en los procesos químicos: ley de la conservación de la masa y ley de las proporciones constantes
3.4. Masa atómica y masa molecular
4. Un éxito de la teoría atómico-molecular: la tabla periódica de los elementos 5. Separación de las sustancias componentes de una mezcla
5.1. Separación de los componentes de una mezcla heterogénea 5.2. Separación de los componentes de una mezcla homogénea
5. Primeras ideas sobre la estructura de los átomos...89
1. El descubrimiento del electrón 2. Los primeros modelos atómicos
2.1. El modelo atómico de Thomson
2.2. Intentos de contrastación del modelo de Thomson: El modelo nuclear de Rutherford 2.3. Isótopos. Radiactividad. Aplicaciones de la tecnología nuclear
3. Organización de los electrones en el átomo
6. El enlace químico...103
1. Clasificación de las sustancias de acuerdo con sus propiedades 2. El enlace como consecuencia de la tendencia a la estabilidad 3. El enlace iónico
4. El enlace covalente
4.1. ¿Qué ocurre cuando hay más electrones a compartir?
4.2. ¿Qué ocurre cuando los átomos que se enlazan no son iguales? 5. El enlace metálico
6. ¿Cómo pueden unirse las moléculas entre ellas?
Anexo: Iniciación a la formulación y nomenclatura en química inorgánica (125)
7.Los cambios químicos...137
5 3. Distinción entre cambio físico y cambio químico
4. Un modelo elemental para las reacciones químicas
5. Puesta a prueba del modelo de reacción química elaborado 5.1. Reversibilidad de algunas reacciones químicas
5.2. ¿Cómo favorecer una reacción química haciendo que transcurra más rápidamente? 5.2.1. Influencia del grado de división de los reaccionantes
5.2.2. Influencia de la temperatura 5.2.3. Influencia de la concentración
5.3. ¿Cómo predecir la masa de una sustancia que podríamos obtener en una reacción? 5.4. ¿Qué ocurre con la energía implicada en una reacción química?
5.4.1. ¿Qué sucede cuando la energía liberada en la formación de enlaces en los productos supera a la energía necesaria para romper los enlaces en los
reaccionantes? Reacciones exotérmicas
5.4.2.¿Qué sucede cuando la energía liberada en la formación de enlaces en los productos es menor que la energía necesaria para romper los enlaces en los
reaccionantes? Reacciones endotérmicas
5.5. ¿Basta siempre con mezclar las sustancia reaccionantes para que una reacción química transcurra rápidamente? Introducción elemental al concepto de energía de activación.
Papel de los catalizadores
6. Cálculos energéticos en algunas reacciones químicas. Reacciones de combustión.
Anexo: Gases de efecto invernadero: causas, efectos y soluciones a los problemas provocados por su aumento en la atmósfera. (161)
8. El movimiento y las fuerzas...173
1. Invención de magnitudes útiles para describir los movimientos
1.1. ¿Cómo podemos indicar dónde se encuentra un cuerpo en un instante dado? 1.2. ¿Cómo podemos medir el cambio de posición de un cuerpo?
1.3. ¿Cómo medir la rapidez con que un cuerpo cambia de posición? 1.3. Si cambia la rapidez. ¿cómo podemos medir lo deprisa que cambia?
2. Posibles tipos de movimiento según el valor de la aceleración sobre la trayectoria 3. Gráficas del movimiento uniforme
4. Estudio experimental del movimiento uniforme 5. Gráficas del movimiento unifórmemente acelerado 6. Concepto de velocidad
7. ¿Cómo conseguir que un cuerpo cambie de velocidad? 8. La fuerza gravitatoria en el universo
9. Efecto deformador de las fuerzas. Medida experimental del peso 10. La fuerza de rozamiento y sus efectos
9. Electricidad...211
1. Propiedades eléctricas de la materia de la materia
2. ¿Cómo explicar el comportamiento eléctrico de la materia?
3. ¿Qué hace falta para lograr un movimiento continuo de carga eléctrica? 4. El generador de corriente eléctrica
5. Medida de la corriente eléctrica. Concepto de intensidad de corriente 6. Instrumentos de medida
7. Ley de Ohm para un hilo conductor
7 10. ¿Cómo obtener una resistencia dada a partir de otras? Asociaciones de resistencias
11. Balance energético de un circuito elemental. El efecto Joule 12. Impacto medioambiental de la energía eléctrica
.
10. Magnetismo...249
1. Fenomenología del magnetismo 2. El magnetismo terrestre
3. Relación entre fenómenos magnéticos y eléctricos
3.1. Efectos magnéticos de la corriente eléctrica (amperímetros, voltímetros y electroimanes) 3.2. Aprovechamiento de las fuerzas entre imanes y corrientes: El motor eléctrico
3.3. Explicación del magnetismo natural
3.4. Producción de corriente eléctrica mediante imanes (alternadores y dinamos) 3.5. El transporte de la corriente eléctrica desde donde se genera hasta donde se utiliza 4. La energía nuclear como forma de producir electricidad
Algunos comentarios para el profesor:
Los temas anteriores se encuentran desarrollados con detalle (que no complicación) en el libro de texto. Cada tema tiene al final una serie de ejercicios que sirven como actividades de refuerzo. El libro viene acompañado de un cuaderno de fichas. Cada tema tiene sus correspondientes fichas, que el alumno ha de ir haciendo. Se ha dejado el espacio necesario para escribir en la misma libreta.Las fichas cubren ordenadamente todos los contenidos del tema. De hecho, muchas de ellas son precisa-mente actividades que se han propuesto en el mismo.
Los autores somos conscientes del muy escaso tiempo dado a las ciencias en la enseñanza secundaria
y, muy en particular, en 3º de ESO. Antes de comenzar el curso, conviene que el profesor analice los
contenidos que presentamos y tome decisiones en cuanto a qué contenidos va a desarrollar con los
grupos que tenga.
El texto y las fichas se prestan a distintas metodologías de trabajo. El grado de dificultad de las
fichas es diverso (tratando de adaptarse a la diversidad de niveles de conocimiento e interés por la materia que puede haber en el aula), aunque siempre dentro de lo que es razonable pedir a alumnos de 14 a 15 años. Así, existen fichas que van desde hacer un dibujo o conectar los elementos de un conjunto con los de otro (con los que están relacionados), hasta el manejo de potencias de 10 o de conceptos como el de densidad, la interpretación de gráficas, etc.
En nuestra opinión la realización de las tareas que se demandan en las fichas que señale el profesor, puede ser una buena forma de trabajo para los alumnos, que habrán de ir realizando tanto en su casa como en clase, a lo largo del curso.
Para trabajar en el aula basta con una simple libreta de clase, pero los alumnos han de saber que ese trabajo es fundamental para poder hacer las fichas de cada tema. Muchas veces, hacer las fichas será pasar a limpio actividades que se hayan realizado en clase. Conviene insistir para que el cuaderno de fichas esté al día y presentable.
Insistimos finalmente en que los contenidos que hemos elaborado no se pueden desarrollar todos.
Ni todos los apartados de cada tema, ni todas las actividades de refuerzo ni todas las fichas. Para ello se precisaría (y más con una metodología activa y participativa, realización de abundantes trabajos prácticos, atención a la diversidad, etc.), el doble de tiempo que el oficialmente disponible (que, des-afortunadamente, cada vez es menos).
