Introducción a la Química 1. LA QUÍMICA 1.1. Concepto.- La química es una ciencia natural experimental que se encarga del estudio de la materia constituida por átomos: su composición, su estructura, sus propiedades, sus transformaciones y los cambios de energía que acompañan a dichas transformaciones. 1.2. Clasificación.- Para una mejor comprensión del amplio campo de la química podemos dividirla en las siguientes ramas: a. Química General.- Estudia las leyes, principios y teorías que rigen a las sustancias y que son aplicadas a todas las ramas de la química. b. Química Inorgánica.- Estudia a todas las sustancias que no tengan carbono con excepción: CO, CO2, H2CO3, bicarbonatos (HCO3—), carbonatos (CO32- ), cianuros (CN-), cianatos (NCO-); es decir la materia inerte o inanimada. c. Química Orgánica.- Estudia las sustancias que contienen carbono. Ejm: los componentes de la materia viva. d. Química Analítica.- Se encarga de desarrollar técnicas y procedimientos para el conocimiento de sustancias. Ø Q. A. Cualitativa.- identifica el tipo o tipos de elementos o iones que forman parte de la composición de una sustancia. Ejm: determinación de la presencia de cationes y aniones en una muestra. Ø Q. A. Cuantitativa.- Determina la cantidad de cada elemento o ión que forma parte de un compuesto o sustancia. Ejm: el análisis químico volumétrico. e. Fisicoquímica (Química Física).- Estudia la rapidez (cinética) con que ocurren las reacciones y el papel del calor en los cambios químicos (termodinámica). f. Bioquímica (Química Biológica).- Estudia las reacciones (transformaciones) químicas que ocurren en un organismo vivo; debido a que todas las funciones que se desarrollan en los organismos vivos implican reacciones químicas. Ejm: el fenómeno de la fotosíntesis en las plantas, el proceso de digestión, el metabolismo de plantas y animales, el ciclo de los seres vivos, la respiración, circulación, reproducción, etc.. g. Química Nuclear.- Estudia las reacciones que se producen en el núcleo de los átomos. Ejm: fisión y fusión nuclear. 1.3. Importancia.- Consideramos las aplicaciones de la química sobre otros dominios científicos en las disciplinas de ingeniería, en la vida diaria, así como en el desarrollo de la humanidad. a. En Medicina.- Fabricación de anestésicos, antibióticos, antisépticos, jarabes, fármacos, hormonas, prótesis, siliconas, sueros, sulfas, vacunas, etc., que salvan y prolonga la vida. El uso de sustancias radiactivas (Quimioterapia); los isótopos radiactivos facilitan el seguimiento de procesos vitales. b. En Agricultura.- Fabricación de abonos y fertilizantes artificiales, funguicidas, herbicidas, insecticidas, plaguicidas, análisis de la composición de suelos y del agua para una mejor producción. c. En Metalurgia.- Desarrollo de técnicas y procedimientos para la obtención y refinación de metales, producción de aceros y otras aleaciones. d. En la Alimentación.- El uso de sustancias químicas como aditivos, colorantes de uso alimentario, enlatados, embutidos y conservas, gaseosas, preservantes de los alimentos, proteínas y vitaminas sintéticas, vinos, y bebidas diversas, saborizantes, etc. e. En Industria.- Fabricación de sustancias útiles para el hombre: ácidos y álcalis, azúcar (sacarosa) (cooperativas) , alcohol (alcoholeras), caucho sintético, cemento, cueros, combustibles, cosméticos, detergentes, fibras sintéticas (nylon y rayón), lubricantes, materiales de construcción (FORTEX: ladrillos), pinturas y lacas, plásticos, polímeros, siliconas, úrea, vidrio, etc. 265 f. Fuente de energía.- A partir de la energía atómica, el uso de la energía nuclear, fotoquímica, petróleo, y sus derivados, nuevos combustibles como el carbón mineral, gas natural, y biogás. g. Industria bélica.- Fabricación de: bomba de hidrógeno, bomba de neutrón, bombas nucleares, explosivos, gases tóxicos, etc. Que el mundo civilizado no tiene necesidad de usar. h. Grandes adelantos técnicos.- Construcción de naves y satélites artificiales, grandes aviones a reacción. 2. LA MATERIA 2.1. Términos fundamentales: a. Cuerpo.- Porción limitada de materia que tiene masa y forma determinada. Ejm: una tiza, un libro, etc. b. Masa.- Cantidad de materia que posee un cuerpo o sustancia. Oposición que ofrecen los cuerpos a las modificaciones de su estado de movimiento o de reposo (inercia). Químicamente peso y masa son sinónimos. 2.2. Definición.- Es todo lo que se encuentra en el universo, tiene masa e inercia. La definición de materia conduce a una clasificación dual: a. Materia común (ordinaria, condensada, concentrada, sustancial o materia propiamente dicha).- Materia que tiene masa tanto en reposo como en movimiento. Ocupa un espacio. Compuesta de átomos. Todo aquello que tenga una velocidad menor que la de la luz. Ejm.: agua, aire, galaxias, estrellas, tierra, mares, ríos cerros, sulfato cúprico, etc. b. Energía (materia disipada, no sustancial).- Es aquella que posee masa a la velocidad de la luz. Materia que no tiene masa en reposo, sólo en movimiento. Compuesta de cuantos o fotones, los cuantos son mas diminutos que los átomos. Ejm.: las radiaciones electromagnéticas, tales como: luz visible, ondas de radio, ondas de televisión, ondas de radar, rayos infrarrojos (IR), rayos ultravioletas (UV), rayos x, rayos cósmicos, etc. l ¦ E Rayos Luz Rayos Rayos Rayos g Cósmicos X UV visible Rayos IR Microondas Ondas Ondas Ondas Micro de de de TV pulsaciones radar radio Ondas Hertzianas l = 3900 ° A V I O L E T A A Z U L V E R D E A M A R I L L O N A R A N J A R O J O l = 7500 ° A 2.3. Propiedades: Se pueden clasificar según los siguientes criterios: a. De acuerdo al estado físico en que se presenta: a.1.Generales.- Aquellas que se presentan en todos los estados físicos. Ejemplos: - Masa o peso - Indestructibilidad - Extensión o volumen - Atracción - Inercia - Divisibilidad - Impenetrabilidad - Temperatura - Densidad Ø Masa.- Cantidad de materia que posee un cuerpo o sustancia. 266 Ø Ø Ø Ø Ø Extensión.- propiedad de un cuerpo de ocupar un espacio o volumen. Ejm: una tiza, un libro, una piedra. Inercia.- Es la tendencia que tiene un cuerpo para permanecer en reposo o en movimiento uniforme. Indestructibilidad.- Lavoisier: “propiedad por la cual la materia no se crea ni se destruye solo se transforma”. Impenetrabilidad.- El espacio ocupado por un cuerpo no puede ser ocupado por otro al mismo tiempo. Ejm: si agregamos una piedra en un vaso lleno de agua, ésta se derrama. Divisibilidad.- la materia se puede dividir: cuerpo, partícula, molécula, átomo y partículas subatómicas. MATERIA CUERPO Medios mecánicos PARTÍCULA Medios físicos Moler, cortar, partir, Triturar, Pulverizar, Tamizar Hervir, disolver, Centrifugar, destilar MOLÉCULA Medios químicos Reacciones químicas Medios nucleares Reacciones y Bombardeos nucleares ÁTOMO PARTÍCULAS SUBATÓMICAS QUARTZ Ø Atracción.- propiedad de un cuerpo de ser atraído por otro. · Gravitación: atracción entre astros · Gravedad: atracción entre la tierra y los cuerpos. Se relaciona con el Peso (P = mg). · Adhesión: atracción entre moléculas de cuerpos diferentes. Ejm.: la tinta con el papel, pintura que cubre un objeto, lápiz o tiza con que se escribe, líquidos que mojan a los sólidos. · Cohesión: atracción entre moléculas de cuerpos iguales. · Afinidad: atracción entre átomos. Ø Temperatura.- Grado de agitación molecular. Medida de la variación térmica de los cuerpos. Ø Densidad.- Es la relación entre la masa de un cuerpo y el volumen que este ocupa. D= m/V a.2. Específicas (intensivas o particulares).- Sólidos Gases Dureza Tenacidad Elasticidad Maleabilidad Ductibilidad Punto de fusión Expansibilidad Líquidos Compresibilidad Ø Tensión Superficial Viscosidad Punto de ebullición Dureza.- resistencia que ofrecen los cuerpos a ser rayados por otros. Depende de la cohesión de sus moléculas. 267 Ø Ø Tenacidad.- resistencia que ofrecen los cuerpos a ser rotos o quebrados. Elasticidad.- los cuerpos tienden a deformarse, cuando sobre ella actúa una fuerza externa, pero cuando termina esa fuerza externa, recuperan su forma y volumen inicial. Si el cuerpo no recupera su forma inicial se llama plástico. Lo contrario de elasticidad es la plasticidad. Ø Maleabilidad.- Propiedad de los cuerpos de estirarse en forma de láminas delgadas. Se emplea el laminador. Ejm: Au, Ag, Cu, Pb, etc. Ø Ductibilidad.- Propiedad de los cuerpos de estirarse en forma de hilos. Se emplea la hilera. Son muy dúctiles: el Pt, Au, Ag, Cu. Ø Punto de fusión (congelación).- Temperatura a la cual la velocidad con que las moléculas de un sólido pasan al estado líquido es la misma que la velocidad con que las moléculas de un líquido pasan al estado sólido. Ø Expansibilidad.- Propiedad de los gases de aumentar su volumen; ocupando el mayor espacio posible. Ø Compresibilidad.- Propiedad de los gases de reducir su volumen. Ø Tensión superficial.- Son fuerzas de atracción entre moléculas que hacen que la superficie de un liquido se contraiga. Ejm.: barco, hormiga sobre el agua puede caminar. Ø Viscosidad.- resistencia que ofrecen los fluidos al movimiento de los cuerpos en su interior. Ø Punto de ebullición.- temperatura a la cual la presión de vapor de un líquido es igual a la presión atmosférica. b. De acuerdo a la influencia de la masa: b.1. Extensivas: Dependen de la cantidad de sustancia y son aditivas Ø Dilatación.- aumento de las dimensiones de un cuerpo por acción del calor Ø Porosidad.- los cuerpos tienen entre sus moléculas espacios llamados poros. Ciertos cuerpos son PERMEABLES porque se dejan atravesar por líquidos y gases debido a su porosidad. La filtración es posible gracias a la propiedad de la porosidad. - Cantidad de calor sensible. - - Porosidad. Cantidad molar. Volumen. b.2. Intensivas: Aquellas que no dependen de la cantidad de sustancia. - Densidad. Color. Olor. Sabor. Punto de ebullición - Conductividad eléctrica. Calor específico Viscosidad. Electronegatividad. 2.4. ESTADOS DE LA MATERIA 2.4.1. Estado Sólido (C > R) Forma y volumen definido. Sus moléculas están unidas por grandes fuerzas de cohesión, es decir estas se encuentran muy juntas unas con otras. Tienen densidad alta. Poseen propiedades de: dureza, tenacidad, maleabilidad, ductibilidad. Se clasifican en: Sólidos Cristalinos: Sus partículas fundamentales forman determinados sistemas geométricos (hexagonal, cúbico, etc). Sólidos Amorfos: no tienen forma geométrica. Las moléculas están muy desordenadas ejemplo: yeso. 2.4.2. Estado Líquido (C = R) - Estado más abundante en la superficie terrestre (3/4 partes de la tierra es agua). Sus moléculas están en constante movimiento. Existe un equilibrio entre las fuerzas de cohesión y repulsión. Densidad menor a la de los sólidos - Se clasifican en - Miscibles: se mezclan formando una sola fase. - Inmiscibles: No se pueden mezclar permanentemente. Se separan al dejarlos en reposo (decantación). Ejemplo aceite - agua. 268 2.4.3. Estado Gaseoso.- (R > C) - No tienen forma ni volumen determinado. Carecen de fuerzas de cohesión, predominan las de repulsión. Son difusibles, dilatables, expansibles. Sus moléculas tienen amplio movimiento disminuyen de volumen al aumentar la presión (compresibilidad). Densidad muy baja. 2.4.4. Estado Plasmático. - Es el estado más abundante del universo (materia). - Masa gaseosa altamente ionizada formada por núcleos positivos (iones) y electrones que se encuentran libres debido al estado de agitación por la gran temperatura a que son sometidos. - A 50 000 ºC los elementos al estado gaseoso, desprenden sus electrones formando plasma. - Se encuentra en el núcleo del sol, estrellas, auroras boreales, interior de los volcanes, etc. - En nuestro planeta se encuentra a 200 Km de la superficie terrestre formando el cinturón de Van Allen (plasma de Hidrógeno). - Plasmatrón: Permite obtener chorros potentes de plasma denso que permite soldar, cortar metales, perforar piezas, etc. 2.5. CAMBIOS DE ESTADO Se producen por efecto de la temperatura y presión ya sea aumentándola o disminuyéndola. Sublimación directa, progresiva Fusión SÓLIDO Gasificación LÍQUIDO Solidificación Ionización GASEOSO Licuación PLASMÁTICO Aumento de temperatura Disminución de temperatura Sublimación indirecta, regresiva, compensación, deposición Ø Ø Ø El calor rompe la cohesión molecular en un sólido. Muchos cuerpos no llegan a fundirse, sino que se descomponen por el calor, ejm: madera, corcho, lana, etc. Otros cuerpos como la arcilla, la cal, etc., aunque pueden fundirse lo hacen a elevadas temperaturas; estos cuerpos se llaman refractarios. Ejm.: Sublimación Directa: hielo seco: CO2(s) ® CO2(g) Cristales I2(s) ® I2(g) color violeta Naftalina(s) ® Naftalina(g) · Gas.- Aquel cuyo estado natural es gaseoso a temperatura ambiente. Ejm.: O2, N2, Cl2, H2, CH4 , Ar, etc. · Vapor.- Aquel que normalmente es sólido o líquido, pero que por acción del calor adoptó el estado gaseoso. Ejm.: vapor de agua, vapor de alcohol, vapor de benceno, etc. Otros Cambios de Estado: Ø Evaporación: Vaporización lenta que ocurre a temperatura ambiente y en la superficie libre del líquido. Ø Volatilización: Es una vaporización rápida, ocurre a temperatura constante y en la superficie libre; la presentan solo algunos líquidos (volátiles): ron, acetona, éter, gasolina, etc. Ø Ebullición: Vaporización violenta que ocurre a temperatura constante a partir de cualquier parte de la masa del líquido, con producción de burbujas. Observación: Cada líquido tiene un punto de ebullición (Teb) a una presión externa determinada. Ej. La Teb del H2O a una presión externa de una atmósfera es de 100 ºC. Ø Condensación.- Es el paso de vapor a líquido. 269 2.6. FENÓMENOS a) FENÓMENO FISICO: Es aquel que no altera ni la composición, ni las propiedades de las sustancias, es decir, las sustancias después de un cambio físico siguen siendo las mismas. Es un cambio pasajero y reversible (puede volver a su estado original). b) FENÓMENO QUÍMICO. Propiedad química, fenómeno químico, transformación interna de la materia, reacción química. Es aquel que altera la composición y las propiedades de las sustancias, es decir, las sustancias después de un cambio químico se transforman en otras de composición y propiedades diferentes a las sustancias iniciales. Están acompañados de grandes variaciones de energía. c) FENÓMENO ALOTRÓPICO: Es la existencia de un mismo estado físico de dos o mas formas moleculares o cristalinas diferentes de un elemento químico, razón por la cual sus propiedades son diferentes. Ejemplo: Elemento Químico CARBONO FÓSFORO OXÍGENO AZUFRE Formas Alotrópicas Diamante y Grafito Fósforo blanco y Fósforo rojo O2: Diatómico y O3: Ozono Azufre Rómbico y Azufre Monoclínico Poseen alotropía los siguientes elementos: C, O, P, S, Se, As, Sb, Bi, Fe, Sn, etc. Ejemplos: Cambios Físicos Cambios Químicos · · · · · · · · · · · · Todos los cambios de estado excepto la Ionización. El cambio de posición de un cuerpo. Separación de los componentes de un licor. Todos los medios físicos que se utilizan para separar los componentes de una mezcla. Preparación de una solución salina de NaCl. Endurecimiento del soldimix. Dilatación de los sólidos. Obtención de la sal común a partir del agua de mar. La comprensión de un resorte. Solubilidad de azúcar en el agua. Forjar un metal. La molienda de los minerales. · · · · · · · · · · · · · Los procesos de combustión, electrólisis, fermentación, hidrólisis, neutralización, oxidación, polimerización, reducción, saponificación. La fotosíntesis de las plantas. La digestión. Obtención de vino a partir de la uva. Transformación de vino a vinagre. Disolución de la Sal de Andrews en el agua. Agriado de la leche. Lluvia ácida. El quemado de un trozo de madera. El enranciamiento de la mantequilla. La putrefacción de la carne. La descomposición de la materia orgánica. La explosión de un cartucho de dinamita. 3. LAS SUSTANCIAS: Elementos (sustancias simples) Compuestos (sustancias complejas) Formada por una sola clase de átomos; Formado por dos o más elementos es decir átomos iguales, aunque dentro químicamente combinados. de cada elemento se pueden encontrar isótopos (átomos de estructura similar). Composición constante y definida. No se descomponen en otras sustancias Se descomponen en sustancias más más simples. simples por medios químicos. 90 elementos naturales Los elementos que forman el 24 elementos artificiales (creados a compuesto pierden sus propiedades partir de 1940, modificando el núcleo químicas. atómico). Se clasifican en metales, no metales y Se clasifican en inorgánicos y gases nobles. orgánicos. Se representan mediante símbolos Se representan mediante fórmulas químicos químicas. Ejm.: Na, Ag, Au, O2, P4, C, S8, etc. Ejm.: H2O, CaSO4, H2SO4, 270 Mezclas Formado por dos o más sustancias que no reaccionan químicamente. Composición variable. Se separan sus componentes por medios físicos o mecánicos. Las sustancias que forman la mezcla conservan sus propiedades químicas. Se clasifican en homogéneas y heterogéneas. Materia: Clasificación general (resumen) MATERIA E = m c2 Einstein (MATERIA) Que tiene masa en reposo y en movimiento. Compuesta de átomos Separación por Medios físicos en Mezcla Sustancia pura Unión física de sustancias en proporción variable HOMOGENEA Uniformes en todas sus partes, 1 sola fase Son llamadas Soluciones , ejm. aire, gasolina, aleación:latón, bronce amalgama HETEROGENEA No uniforme en todas sus partes. Varias fases (arena, roca, madera, aguaaceite, una gota de sangre. ENERGIA Que no tiene masa en reposo, tiene masa en Movimiento compuesta de quantos o fotones Ejemplo: Radiaciones Electromagnéticas Composición química definida. Compuestos - Dos o más elementos químicamente combinados C. Iónicos - C. Moleculares Separación por Medios químicos Elementos - Formados por una sola clase de átomos - No se descomponen en otras más sencillas por reacción química. Ejm. (Los elementos de la Tabla Periódica). MEZCLAS HOMOGÉNEAS · Son aquellas que poseen las mismas propiedades · en toda su extensión (uniformes en todas sus partes). No permiten diferenciar sus componentes. Sus partes no son distinguibles ni con la vista, lupa o microscopio. Presentan idénticas propiedades en todos sus puntos. · · No existe límites entre sus componentes. · Una sola fase. · 271 MEZCLAS HETEROGÉNEAS Son aquellas en las cuales se distinguen claramente c/u. De sus componentes. Dos o mas sustancias que retienen su identidad cuando se mezclan (no uniformes en todas sus partes). Los componentes están separados por límites físicos. Presenta fases en su constitución. SISTEMAS DISPERSOS (SUSPENSIÓN, COLOIDES Y SOLUCIONES) CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES DE CADA DISPERSIÓN SUSPENSIONES COLOIDES 10 Å a 10 000 Å SOLUCIONES 0,3 Å a 10 Å · Mayores de 10 000 Å · · Partículas de soluto es visible a simple vista. · Partículas de soluto son visibles en microscopio electrónico. · Partículas de soluto son invisibles al microscopio. · Sistema de 2 fases · Sistema de 2 fases · Sistema de una sola fase. · No son transparentes, tienen aspecto nebuloso. · Por lo general no son transparentes, son translúcidos u opacos. · Son transparentes · Presentan movimiento solo por gravedad. · Presentan movimiento Browniano. · Poseen movimiento molecular. · Sedimentan al dejar en reposo. · No sedimentan al dejar en reposo. · No sedimentan al dejar en reposo. · No pasan a través del papel de filtro. · Pasan a través del papel de filtro y no por membranas como el papel de pergamino. · Pasan a través del papel de filtro y membranas como el papel de pergamino. · Al paso de la luz, tienen aspecto nebuloso a opacas, y a menudo son translúcidas. · Reflejan y dispersan la luz, presenta efecto TYNDALL. · No reflejan ni dispersan la luz, no presenta efecto TYNDALL. · Constituye sistemas heterogéneosmacroheterogéneos. · Constituye sistemas heterogéneosmicroheterogéneos. · Constituye un sistema homogéneo. Ejemplo: Arena en agua. Ejemplo: Oro coloidal, agrupación de un millón de átomos como mínimo, hemoglobina, responsable del color rojo de la sangre, es una sola molécula gigante. 272 · Ejemplo: Solución incolora y límpida de almidón usado en pequeñas cantidades para detectar presencia de yodo. COLOIDES Cualquier sistema en el cual las partículas dispersas son más grandes que las moléculas pero a la vez son tan pequeñas que no se pueden observar al microscopio, adquiriendo sistemas intermedios entre disoluciones homogéneas y las suspensiones heterogéneas, es lo que se conoce como COLOIDE Tipos de sistemas coloidales Nº FASE DISPERSA MEDIO DISPERSANTE SISTEMA COLOIDAL EJEMPLO Pintura, plasma sanguíneo, pastas, oro o azufre en agua, gelatina, almidón en agua 1 Sólido Líquido Sol líquido o gel 2 Líquido Líquido Emulsión líquida 3 Gas Líquido Espuma líquida 4 Sólido Sólido Sol sólido 5 Liquido Sólido Emulsión sólido mantequilla, clara de huevo. 6 Gas Sólido Espuma sólido Piedra pomez, lava, marshmelos, esponja. 7 Sólido Gas Aerosol sólido Humos, polvo. 8 Líquido Gas Aerosol liquido Niebla, nube, neblina, pulverizado líquido. Agua en benceno, leche, mayonesa. Espuma en cerveza, c rema batida, espuma de jabón. Cristal de rubí, turquesa, esmeralda De los 8 tipos de sistemas coloidales , son de importancia general el 1 y el 2. EMULSIONES. Dispersión en gota muy pequeñas de un liquido en otro liquido, es decir, dos líquidos que son mutuamente insolubles, no se disuelven entre si, y pueden emulsionarse por agitación mecánica. Características · Si la emulsión contiene más del 1 % de la fase dispersa, la emulsión no es estable separándose rápidamente los líquidos componentes de dos capas. · La emulsificación ayuda a la digestión de las grasas en los intestinos, facilitando el metabolismo por las enzimas llamadas LIPASAS. · EL área total de la superficie de las partículas de un sistema coloidal es enorme, en comparación con una masa igual de materia compacta. · Si la partícula coloidal es esponjosa se tendrá un área superficial todavía mayor. SOLUCIONES Son mezclas homogéneas (una fase) de dos o más sustancias denominados componentes, cuyas proporciones varían de una a otra solución, en las que las partículas que la forman presentan dimensiones atómicas o moleculares. 273 SISTEMA QUÍMICO Sistema: Porción de materia en la que es de interés o es el cuerpo en estudio. Un sistema puede ser: a) Sistema abierto: Cuando se intercambia masa y energía (en forma de calor) con su entorno. Ejemplo. Un vaso con agua es un recipiente abierto, el vapor de agua está en contacto con el medio ambiente (masa), al mismo tiempo la energía del agua ingresa o sale del recipiente. b) Sistema cerrado: Cuando no se intercambia masa, pero si se intercambia energía. Ejemplo. Un vaso con agua hervida tapado herméticamente, el vapor de agua no se escapa o condensa en el recipiente, pero la energía si puede escapar o ingresar. c) Sistema aislado: Cuando no se intercambia la masa ni la energía. Ejemplo. Agua hirviendo en un termo cerrado. Ni la masa ni la energía tienen contacto con el medio externo. Fase: Es la masa homogénea en un sistema esta puede ser monofásica, difásica, etc. a) Monofásica : Un recipiente con agua y alcohol. b) Difásico : Un recipiente con agua y aceite. c) Trifásico : Un recipiente con agua, kerosene y limaduras de hierro. d) Tetrafásico : Un recipiente cerrado con agua, petróleo, cubos de hielo y vapor de agua solamente. Componente: Es la sustancia (simple o compuesta) que conforma un sistema. Ejemplo: agua, etanol, etc. En una fase pueden existir dos o más componentes. a) Unitario : un solo componente b) Binario : dos componentes c) ternario . tres componentes. d) Cuaternario: cuatro componentes e) Quinario : cinco componentes, etc 274 Citemos unos cuantos ejemplos más para poder comprender mejor las partes de un sistema. Fig.: tomada del libro análisis de principios y aplicaciones. Tomo I: segunda edición 275 4. LA ENERGÍA 4.1. Energía.- Capacidad de un sistema para producir o realizar trabajo. Es todo aquello capaz de producir un cambio o movimiento. Puede ser energía mecánica, energía eléctrica, energía química, energía atómica, energía calorífica. 4.2. Ecuación de Einstein: Si un cuerpo radioactivo viaja a la velocidad de la luz todo el cuerpo se desintegra, pero si viaja a velocidades próximas a la de la luz solo parte de él se desintegrará. Es la medida cuantitativa de materia que se transforma en energía o viceversa. Albert Einstein (1879 – 1955). E = mc2 E: Variación de energía Ergios: g.cm2/s2 Joule: kg.m2/s2 m: masa g Kg c: velocidad de la luz 3x1010 cm/s 3x108 m/s 7 1J = 10 erg. 1J = 0,24 cal. 4.3. Radiaciones electromagnéticas Son formas de energía que se transmiten siguiendo un movimiento ondulatorio, que llamamos "ondas electromagnéticas". Se caracterizan por no ser desviadas por campos eléctricos y magnéticos. La frecuencia con que se irradia es inversamente proporcional a la longitud de onda. La radiaciones electromagnéticas se propagan en el vacío a la velocidad de la luz. Matemáticamente la relación la podemos expresar: C = l × ¦ ........... ¦ = C l ¦= 1 T ¦= N t C : Velocidad de la luz: 300 000 km/s l : Longitud de onda. ¦ : Frecuencia. N: Número de ciclos u ondas T: Periodo (segundos) t: tiempo (segundos) * Si l aumenta Þ ¦ disminuye Características de una Onda electromagnética. Crestas l +A A -A a) b) Nodos Depresión Longitud de Onda (l): Es la distancia que existe entre dos crestas consecutivas de la onda. Unidades: Angstrom (Å), cm, m... Frecuencia (¦ ó υ): Es el número de ciclos que pasan por un punto fijo en la unidad de tiempo: Unidades: Hertz (Hz). ciclos 1 = Hz ó Hz = o s-1 s s 276 f = c l f = 1 T f= # ciclos t c) Periodo (T): Es el tiempo que demora en formar un ciclo o el tiempo que demora en formar una longitud de onda (l). Unidad: segundos (s). d) Amplitud (A): Nos indica la intensidad de la onda, de como la energía atraviesa una unidad de área en el espacio en una unidad de tiempo. Representa el tamaño de la cresta (+A) o la depresión (-A). 4.4. Energía de una onda (E): Según Max Planck (1900). “La energía no puede ser absorbida ni emitida en forma continua; sino en pequeñas cantidades discretas (discontinua) o paquetes, llamados fotones o cuantos de luz”. Donde la energía asociada es proporcional a la frecuencia con que se irradia. E = hƒ E = hc/l Donde: ƒ: frecuencia l: longitud de onda h: constante de Planck c: velocidad de la luz t: tiempo total T: Periodo 1Å = 10-8 cm. Hertz (Hz): s-1 cm 6,63x10-27 erg.s 3x1010 cm/s s s Hertz (Hz): s-1 m 6,63x10-34 J.s 3x108 m/s s s Ejemplos y problemas resueltos 1. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es incorrecta? a) La química es una ciencia natural experimental. b) La química no estudia las transformaciones de la materia viva. c) La química estudia la composición, propiedades y transformaciones de la materia. d) La observación y la experimentación constituyen la base de la química. e) Los isótopos radiactivos tienen gran aplicación en la investigación por facilitar el seguimiento de procesos vitales. La alternativa b : La química si estudia las transformaciones de la materia viva. 2. Durante una explosión termonuclear se consumió 6,5g de plutonio. ¿Qué cantidad de energía se libero? a) 6,5x1013 joule b) 58,5xl020 joule c) 58,5x1027 joule d) 5,85xl014 joule e) 85,5xl013 joule Solución m = 6,5g c = 3 x 10 10 cm/s E = m c2 10 2 20 E = (6,5g).(3x10 cm/s) = (6,5).(9x10 )erg. = 58,5 x 1020 erg. E = 58,5 x1020 erg .j/ 107 erg. = 58,5 x1013j à E = 5,85 x 1014 3. ¿A cuantas calorías equivale la energía almacenada en 3g de masa? a) 113x1013 b) 6.45xl020 c) 6,45x1013 d) 64,5xl013 Solución m = 3g c = 3x1010 e) 113X1020 E = m c2 E = (3g)(3x10 cm/s)2 = 27x1020erg. = 27x1020erg. j/107erg. 10 E = 27 x 1013 J = 2,7 x 1014 J .cal / 4,187 J E = 6,45 x 1013 cal 277 4. Se tiene inicialmente 200g de un material. Después de reaccionar se logra recuperar 199,8g del mismo. Calcular la energía liberada en ergios. Solución Datos: masa inicial = 200 g masa final = 199,8g masa desintegrada = 0,2g Energía (ergios) = ? c = 3 x 1010 cm/s De la ecuación de Einstein: E = m.c2 E = (0,2g)( 3 x 1010 cm/s)2 = (0,2g)(9x1020 cm2/s2) E = 1,8 x 1020 ergios 5. La desintegración de una porción de masa, libera 45xl019 erg. de energía, si la masa inicial fue de 5g. ¿Qué porcentaje de masa se convirtió en energía? a) 5% b) 10% c) 20% d) 25% e) 35% Solución E = m d c2 m i = 5g md = md = E c2 45.1019 erg = 5 x 10-1g = 0,5 g (3.1010 cm / s ) 2 5g → 100% 0,5g → x x = 10% 6. En el siguiente esquema, sobre radiaciones electromagnéticas. ¿Cuál es la longitud de onda en angstrom? a) 3000 b) 2000 c) 5000 d) 1000 e) 6000 Solución En el gráfico se tiene el tiempo total de 3x1015 seg para 3 ciclos, por lo tanto la frecuencia será: f = c Y l entonces f= l= l= # ciclos t c.t # ciclos (3.1010 cm/ s)(3.10 -15 s ) 3 l = 3.10 -5 cm Convertir en Angstrom o 3.10-5cm æ 1 A ö = 3000A° ç -8 ÷ è 10 cm ø Rpta: a 278
