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Lesson 1.5Investigating Atoms and Properties

Chemical ReactionsLesson Guides

Lesson 1.5

© The Regents of the University of California

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Chemical Reactions—Lesson 1.5—Activity 2

Investigating Substances in the Sim

Part 1: Introducing the Chemical Reactions Simulation

Launch the Chemical Reactions Simulation. As you explore the Sim, discuss the following questions with your partner:

• What do you notice about the different substances in Chemical Stockroom mode?

• How is observing substances in this mode different from observing substances in real life?

• What questions do you have about this mode?

Part 2: Using the Chemical Stockroom to Compare Samples

With your partner, compare the atomic-scale models of the three samples shown below. Discuss how these models are similar and how they are different. Choose the claim about the samples you think fits best. Then, use the Chemical Reactions Simulation to gather evidence about these claims. When you are ready, answer the questions below.

Based on the atomic-scale models of the samples, which of the following claims do you think is best? (check one)

F Claim 1: All three samples have the same properties. Therefore, they are the same substance.

F Claim 2: Two samples have the same properties. Therefore, they are the same substance. However, one sample has a different set of properties. Therefore, this sample is a different substance.

F Claim 3: All three samples have different properties. Therefore, they are different substances.

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© 2018 The Regents of the University of California. All rights reserved. Permission granted to photocopy for classroom use.

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Find the substances represented by these models in the Chemical Stockroom mode of the Sim. Observe their properties. Then, answer the questions below.

Does the evidence from the Sim support the claim that you chose?

F yes

F no

What evidence did you find in the Sim to support your answer?

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Based on my observations in the Sim, I think:

a. Sample 1 and sample 2 are (check one)

F the same substance with the same properties.

F different substances with different properties.

b. Sample 1 and sample 3 are (check one)



c. Sample 2 and sample 3 are (check one)



Investigating Substances in the Sim (continued)


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Second Read of “Atomic Zoom-In”

You are investigating the question: Why do different substances have different properties?

Reread the passage “How Atoms Make Your Orange Juice Smell Good and Your Socks Smell Bad” in the “Atomic Zoom-In” article. Also, review the diagrams associated with this text, gathering evidence about the Investigation Question. Then, use the evidence you gathered from the excerpt and diagrams to answer the question below.

How do the types and numbers of atoms that repeat to make up a substance affect its properties?

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Diamonds are made of just one kind of atoms, called carbon atoms.

Atomic Zoom-InComparing Substances at a Very Small Scale

Imagine you’re eating breakfast. The wooden table you’re sitting at is hard, your orange juice smells sweet, and the sugar in your sugar bowl is white. The day has just begun, but you’ve already come into contact with many substances, each of which has its own set of properties. What is it that gives these substances their different properties? To understand where these differences come from, scientists observe substances at a very small scale—much smaller than we can observe in our daily lives. Let’s zoom in and see what we find. What is matter actually made of?

In the 1800’s, John Dalton was the first to propose the idea that all matter is made of tiny pieces called atoms. Today we call this “the atomic theory.” Since it is a theory it may sound like scientists are not sure about it, but a scientific theory is an idea that has a lot of evidence that many scientists have gathered over a long time. Even today scientists continue to gather evidence that all matter is made of atoms!

Atoms are too small for us to see, but scientists currently know of 118 different types of atoms in the universe, including oxygen, carbon, silver, and gold. Every substance is made of a unique combination of atoms. Substances can be made of just one type of atom or a specific group of atoms that repeats over and over. Chemists represent these groups of atoms using chemical formulas: letters and numbers showing the types and numbers of atoms that repeat to make up a substance. Substances have different properties because they are made of different types and numbers of atoms that repeat.

How Atoms Make Your Orange Juice Smell Good and Your Socks Smell BadHave you ever noticed how good orange juice smells when you pour yourself a glass? You may be surprised to learn that for many brands of orange juice, the aroma is added. Orange

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Ethyl butyrate (left) and Isovaleric acid (right) are both made up of repeating groups of carbon, hydrogen, and oxygen atoms. However, one smells like citrus and the other smells like sweaty gym socks! A

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juice is often kept in big tanks for a time before it is packaged and shipped. The juice needs to be processed in order to keep it from spoiling. This processing can cause the pleasant orange scent and flavor to fade. To address this problem, chemists add a substance that makes the packaged juice smell and taste like fresh-squeezed oranges. That substance is called ethyl butyrate (EH-thul BYOO-tuh-rate).

Ethyl butyrate is a naturally occurring substance found in many fruits. If you examined a sample of ethyl butyrate, you might observe that it is a clear liquid with a strong smell of pineapple or orange. It has a chemical formula of C6H12O2, which means it is always made of groups of 6 carbon atoms, 12 hydrogen atoms, and 2 oxygen atoms. This group of different atoms forms a pattern—it repeats over and over again to make up the substance. The more times the pattern repeats, the more ethyl butyrate you have.

Even very small differences at the atomic scale can have important effects on the properties of a substance. One substance that is similar to ethyl butyrate at the atomic scale is called Isovaleric (EYE-so-vuh-LAIR-ick) acid. If you were to observe the properties of Isovaleric acid, you would see that it is also a colorless liquid, but you would never get it confused with ethyl butyrate. Why? Instead of the pleasant smell of citrus, you would smell something similar to sweaty gym socks. Gross!

Why do these two substances have different properties? Looking more closely at the atoms in Isovaleric acid, you can see that it is made of groups of 5 carbon atoms, 10 hydrogen atoms, and 2 oxygen atoms, so its chemical formula is C5H10O2. Ethyl butyrate and Isovaleric acid have different properties because the atoms that make up each substance are grouped differently. Isovaleric acid has one fewer carbon atom and 2 fewer hydrogen atoms. These atoms are also arranged in a different

A2 Atomic Zoom-in

Diamonds are made of carbon atoms stuck together in a repeating pattern, while cubic zirconia is made of zirconium and oxygen atoms stuck together in a repeating pattern.

pattern. At the atomic scale, these seem like small differences, but even small differences are enough to give the two substances very different properties.

Are These Diamonds Real? Chemistry in Jewel TradingDiamonds come from deep inside Earth and are often polished and used in jewelry. Because they are very popular, they are also very expensive! Due to the high price of diamonds, jewelry makers sometimes use substances that share some of the same properties as diamonds, but cost less. One of these substances is a human-made material called cubic zirconia. At first glance, cubic zirconia and diamond look very much alike: both are clear, shiny, and solid at room temperature. However, diamonds and cubic zirconia do not share all of the same properties. For one thing, diamonds are the hardest naturally occurring substance that we know of, so they are very hard to

scratch. In fact, diamonds are often used in saws to cut very hard things, like stone. Cubic zirconia is not as hard as diamond—it can be scratched easily, and isn’t nearly hard enough to cut through stone. Diamond and cubic zirconia are also different in other ways, such as melting point.

Diamond and cubic zirconia have different properties because they are made of different atoms. Diamond is made of carbon atoms packed together tightly, and its chemical formula is a single letter, C, which stands for carbon. Diamond is always made of carbon atoms stuck together in a repeating pattern. Cubic zirconia is made of groups of one zirconium atom and two oxygen atoms. Its chemical formula is ZrO2. This atom group repeats to make up a cubic zirconia gemstone. If a gemstone is made of atoms other than carbon, chemists can tell that it isn’t a real diamond.

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Substances are made of atoms or groups of atoms that repeat. The number and type of atoms that repeat are different for different substances. Diamonds are made of just carbon atoms repeating. Cubic zirconia is a different substance because it has a different group of atoms that repeat.

All substances are made of groups of repeating atoms, but these groups can take different forms. In some cases, like ethyl butyrate from orange juice and Isovaleric acid from sweaty socks, these repeating atom groups form separate units called molecules. Individual molecules are not connected to the molecules next to them. Many of the substances that you encounter every day, such as air and water, are made of individual molecules. In other cases, like cubic zirconia and diamond, these repeating atom groups link together to form large networks known as extended structures. In extended structures, the atom groups

repeat over and over again with all of the atoms connected to their neighbors. Besides diamond and cubic zirconia, there are many other substances made of atoms that form extended structures, such as graphite, metal, and even salt crystals. However, whether they form individual molecules or extended structures, atoms are the basic ingredients that make up every substance and determine its specific properties. Differences at the atomic scale are what make substances look, smell, and feel the way they do.

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Fresh orange juice smells good because it contains a certain molecule.

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Reacciones químicas—Lección 1.5—Actividad 2

Investigar sustancias en la Simulación

Parte 1: presentar la Simulación Reacciones químicas

Inicia la Simulación Reacciones químicas. Mientras exploras en la Simulación, discute las siguientes preguntas con tu compañero/a:

• ¿Qué notas sobre las diferentes sustancias en el modo “Chemical Stockroom” (Almacenaje de químicos)?

• ¿Cómo es diferente observar sustancias en este modo a observar sustancias en la vida real?

• ¿Qué preguntas tienes sobre este modo?

Parte 2: Usar el almacenaje de químicos para comparar muestras

Con tu compañero/a, comparen los modelos a escala atómica de las tres muestras que aparecen abajo. Discute cómo estos modelos son similares y diferentes. Escoge la afirmación sobre las muestras que pienses que sea la más acertada. Luego, utiliza la Simulación de Reacciones químicas para reunir evidencia sobre estas afirmaciones. Cuando estés listo/a, contesta las siguientes preguntas.

Basándote en los modelos a escala atómica de las muestras, ¿cuál de las siguientes afirmaciones piensas que es la mejor? (marca una)

F Afirmación 1: Las tres muestras tienen las mismas propiedades. Por lo tanto, son la misma sustancia.

F Afirmación 2: Dos muestras tienen las mismas propiedades. Por lo tanto, son la misma sustancia. Sin embargo, una muestra tiene un conjunto de propiedades diferente. Por lo tanto, esta muestra es una sustancia diferente.

F Afirmación 3: Las tres muestras tienen propiedades diferentes. Por lo tanto, son todas sustancias diferentes.

Leyenda de Átomos

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Encuentra las sustancias representadas por estos modelos en el modo “Chemical Stockroom” (Almacenaje de químicos) de la Simulación. Observa sus propiedades. Luego, contesta las siguientes preguntas.

¿La evidencia de la Simulación respalda la afirmación que elegiste?

F sí

F no

¿Qué evidencia encontraste en la Simulación para respaldar tu respuesta?

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Según mis observaciones en la Simulación, pienso que:

a. La muestra 1 y la muestra 2 son (marca una)

F la misma sustancia con las mismas propiedades.

F diferentes sustancias con diferentes propiedades.

b. La muestra 1 y la muestra 3 son (marca una)



c. La muestra 2 y la muestra 3 son (marca una)



Investigar sustancias en la Simulación (continuación)


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Segunda lectura de “Acercamiento atómico”

Estás investigando la pregunta: ¿Por qué es que las diferentes sustancias tienen propiedades diferentes?

Vuelve a leer el pasaje “Cómo los átomos hacen que tu jugo de naranja huela bien y que tus calcetines huelan mal” en el artículo “Acercamiento atómico”. También, revisa los diagramas vinculados a este texto y reúne evidencia sobre la Pregunta de Investigación. Luego, usa la evidencia que reuniste del pasaje y los diagramas para contestar la siguiente pregunta.

¿Cómo es que los tipos y números de átomos que se repiten para componer una sustancia afectan sus propiedades?

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Acercamiento atómico A1

Los diamantes están compuestos por un solo tipo de átomos, llamados átomos de carbono.

Acercamiento atómicoComparar sustancias a una escala muy pequeña

Imagina que estás desayunando. La mesa de madera donde estás sentado/a es dura, tu jugo de naranja huele dulce y el azúcar en tu azucarero es blanca. El día acaba de empezar, pero ya has hecho contacto con muchas sustancias, de las cuales cada una tiene su propio conjunto de propiedades. ¿Qué es lo que les da a estas sustancias sus diferentes propiedades? Para entender de dónde vienen estas diferencias, los/as científicos/as observan sustancias a una escala muy pequeña, mucho más pequeña de lo que podemos observar en nuestras vidas diarias. Acerquemos la vista para ver qué encontramos.

¿De qué está hecha la materia realmente?

Durante los 1800s, John Dalton fue el primero en proponer la idea que toda la materia está compuesta por pedacitos diminutos llamados átomos. Hoy en día le llamamos “teoría atómica”. Como es una teoría, podría sonar como que los/as científicos/as no están seguros/as de ella, pero una teoría científica es una idea respaldada por mucha evidencia que

muchos/as científicos/as han reunido a través de un largo tiempo. Incluso en el presente, los/as científicos/as continúan reuniendo evidencia que indica que la materia está compuesta por átomos.

Los átomos son demasiado pequeños para ver, pero actualmente los/as científicos/as saben de la existencia de 118 diferentes tipos de átomos en el universo, incluyendo oxígeno, carbono, plata y oro. Cada sustancia está compuesta por una combinación única de átomos. Las sustancias pueden estar compuestas por un solo tipo de átomo o un grupo específico de átomos que se repite una y otra vez. Los/as químicos/as representan estos grupos de átomos usando fórmulas químicas: letras y números mostrando los tipos y números de átomos que se repiten para componer una sustancia. Las sustancias tienen propiedades diferentes porque están compuestas por diferentes tipos y números de átomos que se repiten.

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A2 Acercamiento atómico

Tanto el butirato de etilo (izquierda) como el ácido isovalérico (derecha) están compuestos por grupos de átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno que se repiten. Sin embargo, uno huele a cítrico y el otro huele a calcetines pasados a sudor!

Cómo los átomos hacen que tu jugo de naranja huela bien y que tus calcetines huelan mal

¿Has notado alguna vez lo delicioso que huele el jugo de naranja cuando te sirves un vaso? Podría sorprenderte saber que para muchas marcas de jugo de naranja, el aroma es agregado. El jugo de naranja a menudo se guarda en grandes tanques por un tiempo antes de ser envasado y enviado. El jugo necesita ser procesado para que no se eche a perder. Este procesamiento puede causar que el aroma y el sabor placentero a naranja disminuya. Para resolver este problema, los/as químicos/as agregan una sustancia que hace que el jugo empacado huela y sepa a naranjas recién exprimidas. Esa sustancia se llama butirato de etilo.

El butirato de etilo es una sustancia natural encontrada en muchas frutas. Si examinaras

una muestra de butirato de etilo, tal vez observes que es un líquido claro con fuerte olor a piña o naranja. Tiene una fórmula química de C6H12O2, lo cual significa que está siempre compuesto por grupos de 6 átomos de carbono, 12 átomos de hidrógeno, y 2 átomos de oxígeno. Este grupo de átomos diferentes forma un patrón: Se repite una y otra vez para componer la sustancia. Mientras más veces se repite el patrón, más butirato de etilo tienes.

Incluso las diferencias muy pequeñas a nivel atómico pueden tener efectos importantes en las propiedades de una sustancia. Una sustancia similar al butirato de etilo a escala atómica se llama ácido isovalérico. Si pudieras observar las propiedades de ácido isovalérico, verías que también es un líquido sin color, pero jamás lo confundirías con butirato de etilo.

¿Por qué? En vez del olor placentero de cítrico, olerías algo similar a calcetines pasados a sudor. ¡Qué asco!

¿Por qué será que estas dos sustancias tienen propiedades diferentes? Al observar los átomos

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Acercamiento atómico A3

Los diamantes están compuestos por átomos de carbono unidos en un patrón que se repite, mientras que la circona cúbica está compuesta por átomos de circonio y oxígeno unidos en un patrón que se repite.

en el ácido isovalérico de más cerca, puedes ver que está compuesto por grupos de 5 átomos de carbono, 10 átomos de hidrógeno y 2 átomos de oxígeno, así que su fórmula química es C5H10O2. El butirato de etilo y el ácido isovalérico tienen propiedades diferentes porque los átomos que componen cada sustancia están agrupados de maneras diferentes. El ácido isovalérico tiene un átomo de carbono menos y 2 átomos de hidrógeno menos. Estos átomos también están organizados en un patrón diferente. A escala atómica, estas parecen ser diferencias pequeñas, pero hasta las diferencias pequeñas bastan para darles a las dos sustancias propiedades muy diferentes.

¿Son reales estos diamantes? La química en el comercio de joyas

Los diamantes vienen del interior profundo de la Tierra y a menudo son pulidos y utilizados en joyas. Ya que son muy populares, ¡también son muy caros! Debido al precio alto de los

diamantes, los fabricantes de joyería a veces usan sustancias que tienen algunas de las mismas propiedades que los diamantes, pero que cuestan menos. Una de estas sustancias es un material hecho por humanos llamado circona cúbica. A primera vista, la circona cúbica y el diamante se ven muy similares. Los dos son claros, brillantes y sólidos a temperatura ambiente. Sin embargo, los diamantes y la circona cúbica no tienen todas las mismas propiedades. Para empezar, los diamantes son la sustancia natural más dura que conocemos, así que es muy difícil rayarlos. De hecho, los diamantes a menudo se utilizan en las sierras para cortar cosas muy duras, como piedra. La circona cúbica no es tan dura como un diamante. Se raya fácilmente y no es lo suficientemente dura como para cortar piedra. Los diamantes y la circona cúbica también son diferentes de otras maneras, como en su punto de fusión.

Los diamantes y la circona cúbica tienen propiedades diferentes porque están compuestos por átomos diferentes. Los diamantes están compuestos por átomos de

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carbono comprimidos, y su fórmula química es una sola letra, C, la cual representa el carbono. Los diamantes siempre están compuestos por átomos de carbono unidos en un patrón repetido. La circona cúbica está compuesta por grupos de un átomo de circonio y dos átomos de oxígeno. Su fórmula química es ZrO2. Este grupo de átomos se repite para componer una gema de circona cúbica. Si una gema está compuesta por átomos que no sean de carbono, los/as químicos/as pueden averiguar que no es un diamante real.

Las sustancias están compuestas por átomos o grupos de átomos que se repiten. El número y tipo de átomos que se repiten son diferentes para diferentes sustancias. Los diamantes están compuestos solo por átomos de carbono que se repiten. La circona cúbica es una sustancia diferente porque tiene un grupo diferente de átomos que se repiten.

Toda sustancia está compuesta por grupos de átomos que se repiten, pero estos grupos pueden tomar diferentes formas. En algunos casos, como el butirato de etilo del jugo de

naranja y el ácido isovalérico de los calcetines pasados a sudor, estos grupos de átomos que se repiten forman unidades separadas llamadas moléculas. Las moléculas individuales no están conectadas a las moléculas a su lado. Muchas de las sustancias que encuentras cada día, como el aire y el agua, están compuestas por moléculas individuales. En otros casos, como circona cúbica y diamante, estos grupos de átomos que se repiten se unen para formar redes grandes conocidas como estructuras extendidas. En las estructuras extendidas, los grupos de átomos se repiten una y otra vez con todos estos átomos conectados a sus vecinos. Aparte del diamante y la circona cúbica, hay muchas otras sustancias compuestas por átomos que forman estructuras extendidas, como el grafito, el metal e incluso los cristales de sal. No obstante, ya sea que formen moléculas individuales o estructuras extendidas, los átomos son los ingredientes básicos que componen cada sustancia y determinan sus propiedades específicas. Las diferencias a escala atómica son lo que les da a las sustancias su apariencia, olor y textura.

El jugo de naranja fresco huele bien debido a que contiene una molécula específica.

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