Fisicoquímica de Secundaria para 3er año Argentina
La estructura del átomo
Partículas subatómicas: electrones, protones y neutrones. Niveles de energía electrónicos. Distribución de electrones por nivel. Tabla periódica. Estructura del núcleo. Número atómico y número de masa. Isótopos.
Átomo: Es la menor cantidad de un elemento que entra en combinación química y que no puede reducirse a partículas más simples por procedimientos químicos.
Partículas subatómicas
Protón: Partícula con carga positiva, posee una masa semejante al neutrón, los protones se encuentran en el núcleo del átomo, su peso es aproximadamente 1.837 veces mayor al del electrón.
Electrón: Partícula con carga negativa, tiene masa muy pequeña, giran alrededor del núcleo en los niveles de energía y dentro de éstos en orbitales.
Neutrón: No tiene carga eléctrica; posee masa semejante al protón, se encuentra en el núcleo del átomo.
La cantidad de protones que tiene un átomo le confiere a éste las características particulares que lo identifican y definen.
Número atómico: Cantidad de protones que constituyen el elemento químico, se simboliza con la letra Z. En la Tabla Periódica los elementos se encuentran ordenados en base al número atómico.
Número másico: Suma de los protones y neutrones, se simboliza con la letra A, indica la masa atómica, su fórmula sería A = N + Z
Recuerda que al estar eléctricamente neutro: la cantidad de protones y de electrones que tiene el átomo, es el mismo, por lo tanto con el número atómico puedo saber la cantidad de electrones que posee y como se ubican en los niveles de energía me lo indica también la Tabla Periódica.
El modelo actual del átomo
El modelo atómico de Bohr es muy útil, pero la ciencia va evolucionando y experiencias posteriores llevaron a abandonar la idea de las órbitas estacionarias de Bohr, que se regían según las leyes de la mecánica clásica, para establecer una nueva mecánica; la mecánica cuántica.
Se abandonó el concepto de órbita estacionaria, debido fundamentalmente a que no se puede determinar con precisión la posición exacta de un electrón en un determinado instante.
En la mecánica cuántica se define el orbital como una zona del espacio donde la probabilidad de encontrar al electrón es máxima.
Tabla periódica
La tabla periódica de los elementos clasifica, organiza y distribuye los distintos elementos químicos, conforme a sus propiedades y características; su función principal es establecer un orden específico agrupando elementos.
Suele atribuirse la tabla a Dmitri Mendeléyev, quien ordenó los elementos basándose en las propiedades químicas de los elementos, si bien Julius Lothar Meyer, trabajando por separado, llevó a cabo un ordenamiento a partir de las propiedades físicas de los átomos. La forma actual es una versión modificada de la de Mendeléyev; fue diseñada por Alfred Werner.
Grupo: El número de grupo coincide con el número de electrones del último nivel de energía del átomo.
Período: El número de período coincide con el número de niveles de energía del átomo.
Bloques: Representativos – De transición – De transición interna
Niveles de energía electrónicos.
Átomo que se encuentra eléctricamente neutro por tener igual cantidad de protones (positivos) y electrones (negativos)
Na Z = 11 A = 23 P = 11 e = 11 N = 12 (Recuerda A = Z + N)
Distribución de electrones por nivel
Distribución de electrones en niveles: Indica la cantidad de niveles de energía que tiene el átomo y la cantidad de electrones que hay en cada nivel de energía.
Configuración electrónica: Es "ordenar" o "acomodar", los electrones; así nos muestra la manera ordenada de repartir los electrones en los niveles y subniveles de energía.
Científicamente, diremos que es la representación del modelo atómico de Schrödinger o modelo de la mecánica cuántica. En esta representación se indican los niveles, subniveles y los orbitales que ocupan los electrones.
Debemos acotar que aunque el modelo de Schrödinger es exacto sólo para el átomo de hidrógeno, para otros átomos es aplicable el mismo modelo mediante aproximaciones muy buenas.
Los electrones tienen, al girar, distinta cantidad de energía según los niveles que ocupen, más cercana o más lejana del núcleo. Entre más alejada del núcleo, mayor nivel de energía en la órbita, por la tendencia a intercambiar o ceder electrones desde las capas más alejadas.
Para entender el concepto de configuración electrónica es necesario asumir o aplicar dos principios importantes:
• Principio de Incertidumbre de Heisenberg: “Es imposible determinar simultáneamente la posición exacta y el momento exacto del electrón”
.
• Principio de Exclusión de Pauli: “Dos electrones del mismo átomo no pueden tener los mismos números cuánticos idénticos y por lo tanto un orbital no puede tener más de dos electrones”.
Se representa la configuración electrónica que se obtiene usando el cuadro de las diagonales
Es importante recordar que los orbitales se van llenando en el orden en que aparecen, siguiendo esas diagonales, empezando siempre por el 1s.
Aplicando el mencionado cuadro de las diagonales la configuración electrónica estándar, para cualquier átomo, es la siguiente:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d10 7p6
Existen 7 niveles de energía o capas donde pueden situarse los electrones para girar alrededor del núcleo, numerados del 1 al 7, el más interno o más cercano al núcleo (el que tiene menor nivel de energía), el más externo o más alejado del núcleo (el que tiene mayor nivel de energía).
Para determinar la configuración electrónica de un elemento sólo hay que saber cuántos electrones debemos acomodar y distribuir en los subniveles empezando con los de menor energía e ir llenando hasta que todos los electrones estén ubicados donde les corresponde. Recordemos que partiendo desde el subnivel s, hacia p, d o f se aumenta el nivel de energía.
En cada subnivel hay un número determinado de orbitales que pueden contener, como máximo, 2 electrones cada uno. Así, hay 1 orbital tipo s, 3 orbitales p, 5 orbitales d y 7 del tipo f. De esta forma el número máximo de electrones que admite cada subnivel es: 2 en el s; 6 en el p (2 electrones x 3 orbitales); 10 en el d (2 x 5); 14 en el f (2 x 7)..
Ej N° 1:
Averiguar la Distribución electrónica en el elemento sodio, que como su número atómico (Z) indica tiene 11 electrones, los pasos son muy sencillos: debemos seguir las diagonales, como se representan más arriba.
En el átomo de sodio sería: 1s2, como siguiendo la diagonal no tengo nada busco la siguiente diagonal y tengo 2s2, como siguiendo la diagonal no tengo nada busco la siguiente diagonal y tengo 2p6, siguiendo la diagonal tengo 3s2.
Siempre debo ir sumando los exponentes, que me indican la cantidad de electrones. Si sumo los exponentes del ejemplo, obtengo 12, quiere decir que tengo un electrón de más, ya que mi suma para ser correcta debe dar 11, por lo que al final debería corregir para que me quedara 3s1.
Primer nivel: 2 electrones (los 2 en subnivel s, en un orbital);
Segundo nivel: 8 electrones (2 en subnivel s, en un orbital, y 6 en subnivel p, con 2 en cada uno de sus 3 orbitales);
Tercer nivel: 1 electrón (ubicado en el subnivel s, en un orbital).
Por lo tanto, para el sodio (11 electrones), el resultado es: 1s2 2s2 2p6 3s1
Ej N° 2:
Deseamos conocer la configuración electrónica de la plata, que tiene 47 electrones (Z = 47) y 5 niveles de energía; ubicados de la siguiente forma:
En el 1er nivel hay 2 electrones; en el 2do nivel hay 8 electrones; en el 3er nivel hay 18 electrones en el 4to nivel hay 18 electrones; en el 5to y último hay un solo electrón.
Primer nivel: 2 electrones (los 2 en subnivel s, en un orbital);
Segundo nivel: 8 electrones (2 en subnivel s, en un orbital, y 6 en subnivel p, con 2 en cada uno de sus 3 orbitales);
Tercer nivel: 18 electrones (2 en subnivel s, en un orbital, y 6 en subnivel p, con 2 en cada uno de sus 3 orbitales y 10 en el subnivel d, con 2 en cada uno de sus 5 orbitales);
Cuarto nivel: 18 electrones (2 en subnivel s, en un orbital, y 6 en subnivel p, con 2 en cada uno de sus 3 orbitales y 10 en el subnivel d, con 2 en cada uno de sus 5 orbitales);
Quinto nivel: un electrón en el subnivel s, en un orbital.
Debe quedar así:
1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d10, 4p6, 5s1, 4d10
Ej N° 3:
Níquel: Z = 28 con 4 niveles de energía ubicados así los electrones: 2 – 8 – 16 – 2
Primer nivel: 2 electrones (los 2 en subnivel s, en un orbital);
Segundo nivel: 8 electrones (2 en subnivel s, en un orbital, y 6 en subnivel p, con 2 en cada uno de sus 3 orbitales);
Tercer nivel: 16 electrones (2 en subnivel s, en un orbital, y 6 en subnivel p, con 2 en cada uno de sus 3 orbitales y 8 en el subnivel d, con 2 en cada uno de sus 4 orbitales);
Cuarto nivel: 2 electrones (2 en subnivel s, en un orbital);
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d8
CEE (configuración electrónica externa) 4s2
Si conocemos la configuración electrónica de un elemento podemos predecir exactamente el número atómico, el grupo y el período en que se encuentra el elemento en la tabla periódica.
Por ejemplo, si la configuración electrónica de un elemento es 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5, podemos hacer el siguiente análisis:
Para un átomo la suma total de los electrones es igual al número de protones; es decir, corresponde a su número atómico, que en este caso es 17. El período en que se ubica el elemento está dado por el máximo nivel energético de la configuración, en este caso corresponde al período 3, y el grupo está dado por la suma de los electrones en los subniveles s y p del último nivel; es decir, corresponde al grupo VIIA
Recomendamos ver un video clarificador y explicativo en:
http://www.youtube.com/watch?v=hbn08dHJfGc
Isótopo: Variedad de átomos de un mismo elemento con distintas cantidades de neutrones, por lo tanto, difieren en la masa atómica. Su nombre proviene (del griego: ἴσος isos 'igual, mismo'; τόπος tópos 'lugar')
Los isótopos del Hidrógeno son el protio, el deuterio, y el tritio. El protio no posee neutrones, posee un protón y un electrón. El deuterio posee un neutrón, un electrón y un protón. El tritio posee un protón, un electrón y 2 neutrones.
La mayoría de los elementos químicos poseen más de un isótopo estable. Solamente 21 elementos (ejemplos: berilio, sodio) poseen un solo isótopo natural; en contraste, el estaño es el elemento con más isótopos estables.
Isótopos naturales: Los isótopos naturales son los que se encuentran en la naturaleza de manera natural, por ejemplo el hidrógeno como vimos anteriormente tiene tres isótopos naturales, el tritio es muy usado en labores de tipo nuclear este es el elemento esencial de la bomba de hidrógeno.
Otro elemento que contiene isótopos muy importantes es el carbono, en la naturaleza el carbono se presenta como una mezcla de tres isótopos con números de masa 12, 13 y 14: 12C, 13C y 14C. Sus abundancias respecto a la cantidad global de carbono son respectivamente: 98,89%, 1,11% y trazas.
El carbono 12, es la base referencial del peso atómico de cualquier elemento, el carbono 13 es el único carbono con propiedades magnéticas y el carbono 14 radioactivo, muy importante ya que su tiempo de vida media es de 5730 años y es muy usado en la arqueología para determinar la edad de los fósiles orgánicos.
Isótopos artificiales: Los isótopos artificiales son fabricados en laboratorios nucleares con bombardeo de partículas subatómicas, estos isótopos suelen tener una corta vida, en su mayoría por la inestabilidad y radioactividad que presentan, uno de estos es el Cesio cuyos isótopos artificiales son usados en plantas nucleares de generación eléctrica, otro muy usado es el Iridio 192 que se usa para verificar que las soldaduras de tubos estén selladas herméticamente, sobre todo en tubos de transporte de crudo pesado y combustibles, alguno isótopos del Uranio también son usados para labores de tipo nuclear como generación eléctrica o en bombas atómicas con principio de fisión nuclear.
Actividades de fijación de conceptos
1) Indicar si las siguientes aseveraciones son verdaderas o falsas y justificar las respuestas verdaderas.
a) Para obtener los protones al número másico debo restarle los electrones _________
b) El núcleo del átomo está formado por neutrones y protones____________
c) El orbital es la zona donde es más probable que se encuentre el electrón_________
d) El periodo en la tabla periódica me indica la cantidad de niveles de energía del átomo______
2) Realizar la distribución electrónica por niveles y partículas subatómicas del núcleo de los siguientes elementos:
a) Z = 31 b) Z = 52 c) Z = 83 d) Z = 98
3) Establecer la cantidad de protones, electrones, neutrones, número atómico y número másico de los siguientes elementos:
a) Talio b) Estaño c) Germanio d) Azufre
4) Expresar a que elementos corresponde esta configuración electrónica, su símbolo químico, su número atómico y másico
a) 2 – 8 – 14 – 2 b) 2 – 8 – 18 – 32 – 18 – 4
5) Unir las tres columnas con colores o líneas diferentes estableciendo todas las relaciones existentes entre las tres.
Número de electrones Pt 65
Número de protones Zn 117
Número de neutrones Hg 78
Número másico Ga 195
Número atómico Os 70
6) Completar la siguiente tabla con los números atómico (Z) y másico (A), números de protones (P+), número de electrones (e-) y número de neutrones (N)
Elemento Z A P+ e- N
23
50
17
3
15
82
25
1
8
14
7) ¿Cuántos protones, electrones y neutrones tiene el B _ Zr _ Fr _ Sn _ Pb? (Son 5 elementos diferentes)
8) Indicar período y grupo de los siguientes elementos:
a) U _ La _ Np _ Pu
b) Hierro _ Cobalto _ Galio _ Vanadio
9) ¿Qué me indica el grupo en la tabla periódica? ¿y el período?
10) Completar:
a) Isótopos son átomos del mismo elemento con distinto número de _______________
b) El número másico de los isótopos es __________________
c) Sabiendo que He tiene Z = 2 y A = 4 y otro átomo de He tiene Z = 2 y A = 8 indicar en qué consiste la diferencia y como se denominan dichos átomos______________________________
d) El número atómico de los isótopos es___________________
Partículas
atómicas Carga
eléctrica Ubicación en
el átomo
Protón
Electrón
Neutrón
12) Completar la siguiente tabla:
Elemento Símbolo Z A Configuración electrónica
2-8-9-2
2-8-18-10-2
2-8-18-2
2-8-18-18-8-2
2-8-18-32-18-8-2
2-8-7
13) Indique la distribución de los electrones para los siguientes átomos: Fr; Sr; Sc; K; La
niveles 1 2 3 4 5 6 7
electrones
niveles 1 2 3 4 5 6 7
electrones
niveles 1 2 3 4 5 6 7
electrones
niveles 1 2 3 4 5 6 7
electrones
niveles 1 2 3 4 5 6 7
electrones
14) Establezca la configuración electrónica del: Arsénico; Rubidio; Polonio; Cesio; Osmio; Cromo; Paladio; Yodo; Manganeso y Rutenio.
15) Escribir la configuraciones electrónicas para los elementos de Z = 78 Z = 43 Z = 29 y Z = 87
Uniones químicas
Unión iónica y unión covalente. Electronegatividad. Diagramas o estructuras de Lewis. Fórmulas de sustancias binarias de compuestos sencillos. Teoría de la repulsión de pares electrónicos de valencia (TRePEV). Geometría molecular de compuestos binarios sencillos. Nomenclatura de compuestos binarios (óxidos, hidruros, hidrácidos y sales binarias).
Uniones químicas
Definimos unión química a la fuerza que actúa entre dos átomos o grupos de átomos, con intensidad suficiente para mantenerlos unidos en una sustancia diferente con propiedades mensurables.
Al analizar la naturaleza de la unión química, mediante la comprobación experimental se observó que el comportamiento químico de un elemento está regido por el número y el orden de los electrones alrededor del núcleo. Son los electrones del nivel externo los que dan las características químicas e intervienen en forma directa en la formación de los enlaces químicos. Es la configuración electrónica externa (CEE).
¿Por qué se unen los átomos? Los hacen porque siguen la tendencia a llegar al estado de energía mínima llamado energía de enlace.
Debido a que los gases nobles (gases inertes) del grupo 18 de la tabla periódica; son sustancias extraordinariamente poco reactivas, por eso son monoatómicos, lo que significa que ni siquiera tienen tendencia a combinarse consigo mismo, por lo tanto sus configuraciones electrónicas son más estables que las de los otros elementos.
Por lo estudiado en la unidad anterior sabemos que la tabla periódica está ordenada por el número atómico Z, entonces los átomos al combinarse tienden a adquirir una configuración electrónica que les proporcione la mayor estabilidad posible: la del gas noble más cercano en número atómico, ya que éstos presentan una configuración electrónica externa (CEE) del tipo ns2 np6 los átomos pues tienden a completar su octeto (ocho electrones en su último nivel de energía).
Los estudios recientes nos indican que la atracción entre electrones y núcleos atómicos, lo mismo que las diferentes formas en que los electrones se distribuyen entre y alrededor de los núcleos, se debe a la electronegatividad que es la capacidad relativa que tiene un átomo para atraer los electrones de una unión química, cuanto mayor sea su valor, mayor será su capacidad para atraerlos. El concepto de la electronegatividad es muy útil para conocer el tipo de enlace que originarán dos átomos en su unión:
Que los valores de electronegatividad de los átomos que intervienen en la unión sean marcadamente diferentes. Entonces forman una unión iónica.
Que ambos átomos posean electronegatividad baja y similar. Forman unión metálica.
Que ambos átomos posean electronegatividad alta y similar. Forman unión covalente.
En la tabla periódica el primer valor de la columna a la izquierda nos indica que los elementos con una electronegatividad de 2,5 o mayor son los NO metales, mientras que los elementos cuya electronegatividad es de 1,3 o menor son los metales alcalinos y alcalinotérreos, entre ambos extremos se encuentran los metales de transición con valores intermedios.
Unión iónica
El enlace iónico ocurre entre átomos de elementos cuya diferencia de electronegatividades es notable y su característica esencial es que hay una transferencia completa de electrones desde un átomo a otro con formación de cationes y aniones. Resumiendo:
Unión entre un metal y un no metal.
El metal cede sus electrones convirtiéndose en un catión, cargado positivamente.
El no metal completa su octeto (o sea ocho electrones en su última órbita) y se convierte en un anión cargado negativamente.
Los átomos de los elementos cuyas energías de ionización son bajas tienden a formar cationes, mientras que aquellos con altos valores negativos tienden a formar aniones.
La existencia de iones con carga positiva y negativa hace fácil la comprensión de este tipo de unión, que llamamos iónica.
Ej. Cloruro de Sodio
Na -1e Na+ Cl + 1e Cl-
catión sodio anión cloruro
Cuando el sodio y el cloro reaccionan, vemos que el sodio posee un electrón de CEE, si lo pierde queda cargado positivamente como catión sodio y el cloro posee siete electrones de CEE,
Cl Z = 17 A = 35 P = 17 e = 17 N = 18 si gana un electrón se transforma en anión cloruro adoptando de esta forma ambos elementos, una configuración electrónica de gas noble, el sodio similar al neón Ne Z = 10 A = 20 P = 10 e = 10 N = 10 y el cloro al argón, Ar Z = 18 A = 40 P = 18 e = 18 N = 22 por esta razón se producen unas fuerzas de atracción entre el átomo de Na y el átomo de Cl, formándose el ion positivo Na+ y el ion negativo Cl-, estos iones se van atrayendo entre sí formando cristales.
La unión iónica se puede representar mediante varias fórmulas que veremos a continuación:
Fórmula de Lewis, electrónica o iónica
Fórmula mínima Na Cl
La fórmula mínima es la mera relación entre los iones que forman el cristal.
La cantidad de electrones que pierden los metales en general coinciden con la cantidad de electrones que poseen en el último nivel. Excepto los elementos de transición en los cuales el número de electrones cedidos es variable para estos casos la nomenclatura moderna lo indica entre paréntesis y con números romanos.
Fe Z = 26 A = 56 P = 26 e = 26 N = 30 O Z = 8 A = 16 P = 8 e = 8 N = 8
Ej. Oxido de Hierro (II)
Fórmula de Lewis
Fórmula mínima FeO
Los cationes y los aniones
Na -1e Na+
Catión sodio
Todos lo átomos que tienen 1, 2, 3 electrones en su último nivel de energía, tienden a perderlos y formar cationes, es decir, formar iones positivos
Cl + 1e Cl-
Anión cloruro
Todos los átomos que tienen 5, 6, 7 electrones en su último nivel de energía tienden a tomar electrones para completar su último nivel de energía con 8 electrones (octeto electrónico) formando Iones negativos llamados aniones.
Catión Anión
Electrones del
último nivel de
energía
Los cede
Los toma
Carga eléctrica
del ION
Positiva
Negativa
Cantidad de
protones y de
electrones Mayor cantidad
de protones Mayor cantidad
de electrones
En su estado natural los gases nobles no se combinan con ningún otro elemento químico, por lo que no forman compuestos. Al observar su estructura atómica, se descubrió que los gases inertes tienen ocho electrones en su último nivel de energía. En base a esto se concluyó que los átomos se encuentran en el estado de menor energía cuando tienen completo con los ocho electrones el último nivel de energía, ya que son los electrones de este nivel los que intervienen en las uniones entre átomos.
Los elementos químicos que tienen pocos electrones en su último nivel de energía tienden a perderlos, para quedarse con los 8 electrones que tienen en el nivel anterior y adquirir una estructura más estable.
Los elementos químicos a los que les falten pocos electrones para llegar a 8 en su último nivel de energía, tenderán a ganar electrones, para llegar completar el octeto (o sea 8 electrones).
Se denomina ION a todo átomo que al haber perdido o ganado electrones posee carga eléctrica.
Los iones se clasifican en cationes y aniones. Si un átomo pierde electrones queda con un exceso de cargas positivas, con más protones que electrones. Estos átomos con carga positiva por la pérdida de electrones son los CATIONES.
Un átomo gana electrones, queda con un exceso de cargas negativas, ya que ahora poseerá más electrones que protones. Estos átomos con carga negativa por la ganancia de electrones son los ANIONES.
ANIONES nro de cargas
cloruro Cl-
fluoruro F-
bromuro Br-
yoduro I-
nitrato NO3-
nitrito NO2-
sulfito SO32-
sulfato SO42-
sulfuro S2-
ortofosfato (V) PO43-
hipoclorito o clorato (I) ClO-
clorato o clorato (V) ClO3-
perclorato o clorato (VII) ClO4-
carbonato C O32-
hidrógenocarbonato H C O3-
clorito o clorato (III) Cl O2-
manganato (VI) Mn O42-
manganato (VII) Mn O4-
dicromato (VI) Cr2 O72-
cromato (VI) Cr O42-
cianuro C N-
hidróxido O H-
metafostato (V) P O3-
pirofosfato (V) P2 O74-
hidruro H-
CATIONES nro de cargas
cobre (I) o cuproso Cu+
cobre (II) o cúprico Cu2+
potasio K+
sodio Na+
plata Ag+
bario Ba2+
calcio Ca2+
amonio NH4+
plomo (II) o plúmboso Pb2+
magnesio Mg2+
cinc Zn2+
aluminio Al3+
hierro (II) o ferroso Fe2+
hierro (III) o férrico Fe3+
cobalto (II) Co2+
cobalto (III) Co3+
manganeso (II) Mn2+
manganeso (III) Mn3+
plomo (IV) o plúmbico Pb4+
hidronio (oxonio) H3 O+
mercurio (I) Hg22+
mercurio (II) Hg2+
cromo (II) Cr2+
cromo (III) Cr3+
cadmio Cd2+
Unión covalente
Entre átomos con electronegatividad alta y semejante se forman uniones fuertes que existen en moléculas tales como H2, N2, CO2 se produce por compartimiento de pares electrónicos de la CEE. Resumiendo:
Unión entre dos no metales.
Los no metales ni ceden ni ganan electrones sino que los comparten y ambos cumplen con la ley del octeto.
En la unión covalente además de la fórmula electrónica o de Lewis y la fórmula mínima o molecular, va a existir una tercera fórmula que es la fórmula desarrollada.
Lewis describió que en el enlace químico covalente dos átomos están en una molécula, compartiendo un par de electrones.
H Z = 1 A = 1 P = 1 e = 1
Ej. H2 Fórmula molecular
Su estructura de Lewis es:
Esta idea del par electrónico compartido es un ejemplo de enlace covalente, unión en la cual dos electrones son compartidos por dos átomos. Por razones de simplificación, el par de electrones compartido se representa comúnmente con una sola línea. Por consiguiente el enlace covalente de la molécula de hidrógeno se puede escribir H-H llamada fórmula desarrollada. En un enlace covalente, cada electrón de un par compartido es atraído por los núcleos involucrados en el enlace. Esta atracción es la responsable de que se mantengan unidos los dos átomos en el H2. El mismo tipo de atracción es responsable de la formación de enlaces covalente en otras moléculas.
En este otro ejemplo, cuando se unen dos átomos de flúor para formar la molécula puede considerarse que al compartir un electrón cada uno de los átomos queda con la configuración del neón, si bien en realidad los electrones compartidos no pertenecen a los átomos sino a la molécula.
F Z = 9 A = 19 P = 9 e = 9 N = 10
Fórmula de Lewis
Fórmula desarrollada
Fórmula molecular
F2
Una mayor aproximación a la unión covalente es la de considerar la formación de orbitales moleculares de unión, es decir los electrones de los átomos se redistribuirían en nuevos orbitales formados en la unión. Estos orbitales darían al conjunto menor energía interna, lo que haría estable la unión. Según las electronegatividades de los átomos que componen una unión covalente, ésta puede ser polar o no polar.
En la covalencia polar los electrones están más cerca de uno de los átomos que del otro. Así en la molécula de agua, la electronegatividad del oxígeno es muy superior a la del hidrógeno, por lo que la covalencia es polar y se produce la formación de dipolos (molécula en su conjunto neutra, que presenta en el espacio un diferencial de carga positiva, y un diferencial negativo)
Las únicas uniones covalentes perfectamente no polares son las que se producen entre átomos iguales. Son los gases diatómicos, de los cuales ya hemos visto: H2, F2, O2, Cl2
Enlace covalente común: es la unión química establecida entre 2 átomos en la cual el par electrónico compartido está formado por un electrón proveniente de cada uno de los dos átomos entre los que se produce la unión. Esta unión se puede establecer entre átomos de un mismo elemento (unión homonuclear) o entre átomos de elementos diferentes (unión heteronuclear). Por otra parte, dos átomos pueden compartir uno o más pares de electrones, dando lugar a uniones covalentes simples, dobles o triples.
N Z = 7 A = 14 P = 7 e = 7 N = 7
Di nitrógeno Fórmula molecular N2 Fórmula de Lewis
Fórmula desarrollada unión covalente triple
Br Z = 35 A = 80 P = 35 e = 35 N = 45
Fórmula molecular H Br Fórmula de Lewis
Fórmula desarrollada unión covalente simple
C Z = 6 A = 12 P = 6 e = 6 N = 6
Dióxido de carbono C O2 Fórmula de Lewis
Fórmula desarrollada unión covalente doble
Enlace covalente dativo o coordinado: es la unión química que se establece entre dos átomos de dos elementos, en la que el par electrónico compartido es aportado por uno de los dos átomos.
Analicemos el caso de la molécula SO3. Sabiendo que el oxígeno y el azufre (ambos con 6 electrones en su configuración electrónica externa) pueden formar dos enlaces covalentes comunes cada uno, por lo que tienen la siguiente estructura.
S Z = 16 A = 32 P = 16 e = 16 N = 16
Fórmula molecular SO3 Fórmula de Lewis
Fórmula desarrollada
Sin embargo, sobre la base de datos experimentales, se sabe que cada uno de los átomos de oxígeno está unido al de azufre, por lo tanto esta estructura es incorrecta.
Podríamos pensar, entonces que entre el átomo de azufre y uno de los átomos de oxígeno hay una unión covalente doble y de esta forma ambos átomos completan una configuración electrónica de gas noble.
De acuerdo con la regla del octeto ya no podrían formarse más enlaces S-O en los cuales se comparten electrones, pero esto estaría en contradicción con los datos experimentales, ya que se conocen perfectamente los compuestos SO2 y SO3. Debemos buscar entonces otra posibilidad de interacción que no hayamos considerado hasta ahora, para poder explicar la estructura del SO3. La respuesta es que el átomo de azufre forma con los átomos de oxígeno restantes enlaces de tipo covalente dativo. El átomo de azufre, que al unirse por covalencia doble con un átomo de oxígeno ya alcanzó el octeto, posee dos pares de electrones que pueden aportar para formar enlaces covalentes dativos. Si esto ocurre el átomo de azufre mantiene su octeto.
Fórmula de Lewis
Como vemos, el átomo de azufre sigue teniendo, en el compuesto, configuración electrónica de gas noble, pero ahora cada átomo de oxígeno también la tiene. Estructuralmente no hay manera de distinguir un enlace covalente coordinado de cualquier otro enlace covalente simple. Se trata de un par electrónico compartido, independientemente de cómo se ha formado. El enlace covalente dativo se representa por medio de una flecha desde el dador al aceptor.
Fórmula desarrollada
Notemos que el átomo de azufre no sólo puede formar dos enlaces covalentes sino que también puede formar otros dos enlaces covalentes dativos. De esta manera, en el SO3, el átomo de azufre hace participar en enlaces los seis electrones presentes en su último nivel de energía.
Si consideramos la molécula de dióxido de azufre (SO2), el azufre queda con dos pares de electrones no compartidos, utiliza uno de ellos para unirse al otro átomo de oxígeno.
Este tipo de uniones se produce con el ozono (O3) como se ve en el dibujo a continuación
Ozono
Al ser liberados en la atmósfera, estos productos químicos, que contienen cloro, ascienden y se descomponen por acción de la luz solar, tras lo cual el cloro reacciona con las moléculas de ozono y las destruye. Por este motivo, el uso de CFC en los aerosoles ha sido prohibido en muchos países. Otros productos químicos, como los halocarbonos de bromo, y los óxidos nitrosos de los fertilizantes, son también perjudiciales para la capa de ozono.
Teoría de la repulsión de los pares electrónicos de valencia (TRePEV)
La estructura de Lewis nos permite ver a las uniones químicas entre átomos, en una representación bidimensional, esta geometría molecular nos permite verla en forma tridimensional, ubicando a un grupo de electrones en cualquier región localizada alrededor del átomo.
La TRePEV está basada en la idea de que la geometría de una molécula, o ion poliatómico, del tipo ABn, donde A es el átomo central y B los átomos periféricos, está condicionada, principalmente, por la repulsión, de tipo eléctrica, entre los pares de electrones de la capa de valencia alrededor del átomo central.
La distribución de los enlaces alrededor de un centro atómico depende del número de pares electrónicos que rodean a este átomo, ya que determinan regiones de alta densidad electrónica a su alrededor.
Así un grupo electrones puede consistir en un enlace sencillo, en un enlace doble, en un enlace triple, un par solitario e incluso un solo electrón como es el caso de los radicales. Cada uno de estos por separado repele a otros grupos y trata de ocupar el máximo espacio alrededor del átomo central. Si deseamos representar entre dimensiones estas disposiciones nos permite predecir la forma de la molécula.
Los pares de electrones no compartidos “ocupan” más espacio que los electrones compartidos. Para la geometría molecular los pares de electrones compartidos que forman un enlace múltiple es equivalente a un par de electrones de un enlace simple.
Tipo de molécula Forma Disposición electrónica† Geometría‡ Ejemplos
AB1En Molécula diatómica
HF, O2
AB2E0 Lineal
BeCl2, HgCl2, CO2
AB2E1 Angular
NO2−, SO2, O3
AB2E2 Angular
H2O, OF2
AB2E3 Lineal
XeF2, I3−
AB3E0 Triangular plana
BF3, CO32−, NO3−, SO3
AB3E1 Pirámide trigonal
NH3, PCl3
AB3E2 Forma de T
ClF3, BrF3
AB4E0 Tetraédrica
CH4, PO43−, SO42−, ClO4−
AB4E1 Balancín
SF4
AB4E2 Cuadrada plana
XeF4
AB5E0 Bipirámide trigonal
PCl5
AB5E1 Pirámide cuadrada
ClF5, BrF5
AB6E0 Octaédrica
SF6
AB6E1 Pirámide pentagonal
XeOF—
5, IOF2-
510
AB7E0 Bipirámide pentagonal
IF7
Número de oxidación y nomenclatura química
Al estudiar las uniones iónicas, vimos que entre un átomo de un elemento de alta electronegatividad (ejemplo F) con un elemento de baja electronegatividad (ejemplo Na), el átomo de Na pasa a ser catión Na+, perdiendo un electrón, mientras que el átomo de F adquiere ese electrón para transformarse en el anión F-
Las reacciones químicas que involucran procesos de este tipo en los que uno o más átomos ceden electrones a uno o más átomos que los aceptan. Estas reacciones se llaman reacciones de óxido-reducción.
Por lo tanto podemos definir:
Oxidación: Proceso por el cual una sustancia pierde electrones.
Reducción: Proceso por el cual una sustancia gana electrones.
Esto nos lleva a la formación de compuestos iónicos como ecuaciones químicas:
2 K + Br2 ------ 2 K Br
El potasio ha perdido electrones, en consecuencia se ha oxidado.
El bromo ha ganado electrones, se ha reducido.
Número de oxidación
Cuando no se puede establecer tan fácilmente quién ha ganado electrones y quién los ha perdido. Utilizamos el número de oxidación, que es la carga asignada a cada átomo del elemento en cuestión en un compuesto, considerando que todas las uniones químicas en él son iónicas. Esto da lugar a la aparición de valores positivos o negativos para los números de oxidación. Asimismo pueden aparecer diferentes números de oxidación para un mismo elemento en diferentes compuestos.
En la tabla periódica lo encontramos en la columna de la izquierda en el segundo renglón debajo del valor de la electronegatividad, lo llama “estado de oxidación”
El hidrógeno presenta generalmente el número de oxidación +1 (HF; HCl; H2SO4; H2O2) pero cuando se combina con metales en compuestos binarios (tienen 2 elementos químicos) su número de oxidación es -1 (LiH; CaH2; AlH3)
El oxígeno presenta el número de oxidación -2 (CaO; Na2O; Na2SO4); excepto cuando se combina con el flúor, su número de oxidación es +2 (OF2)
Veamos el uso de dichos números de oxidación en la formación de compuestos químicos:
Ejemplo N° 1:
Fórmula del compuesto: Na2 O
N° de oxidación del oxígeno → O = -2
N° de oxidación del sodio → Na = +1
Queda entonces Na + O2 --------→ Na2 O
Ahora igualamos la ecuación química (nos deben quedar la misma cantidad de átomos a izquierda y a derecha de la flecha)
4 Na + O2 --------→ 2Na2 O
Los de la izquierda se llaman reactivos y los de la derecha se llaman productos. O sea el reactivo 4 Na y el reactivo O2 dan como producto dos moléculas de Na2 O.
Una forma simple de hallar la formación de compuestos binarios mediante el uso de números de oxidación y después formar la ecuación química, es la siguiente:
1) Ubicar el metal y el no metal en la tabla periódica
2) Escribir el símbolo químico de ambos elementos.
3) Localizar el número de oxidación correspondiente a cada elemento.
4) Anotar ese número ARRIBA a la derecha del símbolo químico.
5) Cruzar el número de oxidación escribiéndolo ABAJO a la derecha, simplificar si fuese necesario y ahí obtengo la molécula del compuesto.
6) Para la ecuación química dibujar una flecha.
7) A la DERECHA de la flecha se anota la molécula obtenida en el punto 5)
8) A la izquierda se suman el metal y el no metal teniendo en cuenta si son biatómicas.
9) Se cuentan la cantidad de átomos que hay a izquierda y a derecha de la flecha.
10) Se equilibran con números delante del átomo del elemento hasta que queden igual cantidad de átomos de cada elemento a izquierda y a derecha de la flecha
1) 2) 3) 4) Na1 O-2
5) Na2 O1
Como el 1 no se escribe nunca nos queda Na2 O
6) -----→
7) -----→ Na2 O
8) Na + O2 -----→ Na2 O
9) 10) 4 Na + O2 -----→ 2 Na2 O
4 *1 + 2 = 2 *2 + 2*1
4 átomos de sodio 2 átomos de oxígeno = 4 átomos de sodio y 2 átomos de oxígeno
Ejemplo N° 2:
Fórmula del compuesto: S O2
N° de oxidación del oxígeno → O = -2
N° de oxidación del azufre → S = +4
1) 2) 3) 4) S4 O2
5) S2 O4 simplificamos por 2
S O2
6) -----→
7) -----→ S O2
8) S + O2 -----→ S O2
9) 10) S + O2 -----→ S O2
1 + 2 = 1 + 2
1 átomo de azufre 2 átomos oxígeno 1 átomo azufre y 2 átomos oxígeno
Ejemplo N° 3:
Fórmula del compuesto: S O3
N° de oxidación del oxígeno → O = -2
N° de oxidación del azufre → S = +6
1) 2) 3) 4) S6 O2
5) S2 O6 simplificamos por 2
S O3
6) -----à
7) -----à S O3
8) S + O2 -----à S O3
9) 10) 2 S + 3 O2 -----à 2 S O3
2 *1 + 3 * 2 = 2 *1 + 2*3
2 átomos de azufre 6 átomos oxígeno 2 átomos azufre y 6 átomos oxígeno
Existen casos especiales en las ecuaciones químicas en que los números de átomos se simplifican porque son iguales.
Ejemplo N° 4
Fórmula del compuesto: Ca O2
N° de oxidación del oxígeno → O = -2
N° de oxidación del calcio → Ca = +2
1) 2) 3) 4) Ca2 O-2
5) Ca2 O2 Simplificamos por 2
Ca O
6) -----à
7) -----à Ca O
8) Ca + O2 -----à Ca O
9) 10) 2 Ca + O2 -----à 2 Ca O
2 *1 + 2 = 2 *1 + 2*1
2 átomos de calcio 2 átomos de oxígeno = 2 átomos de calcio y 2 átomos de oxígeno
Nomenclatura química de compuestos binarios
En las fórmulas de los compuestos binarios el elemento menos electronegativo se escribe a la izquierda de la fórmula.
Veremos los compuestos binarios que se forman entre metales y no metales y especialmente los que se forman de la combinación de metales o no metales con hidrógeno u oxígeno.
Compuestos con hidrógeno
De metales: Se nombran hidruros de metal correspondiente:
Ejemplo:
Hidruro de calcio Ca H2; Hidruro de litio Li H; Hidruro de aluminio Al H3
En el caso de un elemento que pueda presentar hidruros con dos números de oxidación diferentes como el hierro (+2 y +3), se distinguen de la siguiente manera:
Fe H2 Hidruro de hierro (II)
Fe H3 Hidruro de hierro (III)
Con el número romano entre paréntesis se indica el número de oxidación del elemento.
Otros ejemplos de nomenclatura:
K H Hidruro de potasio
Ti H3 Hidruro de titanio (III)
Cu H2 Hidruro de cobre (II)
De no metales: Se nombran como no metal…uro de hidrógeno pueden denominarse también hidrácidos
Ejemplo:
Cloruro de hidrógeno H Cl; Sulfuro de hidrógeno H2 S; Seleniuro de hidrógeno H2 Se;
Ioduro de hidrógeno H I;
Para indicar la fórmula de un compuesto de este tipo, se colocan tantos átomos de hidrógeno como indique el número de oxidación del no metal.
Compuesto con oxígeno
De metales: Se nombran como óxidos del metal correspondiente
Ejemplo:
Ca O óxido de calcio; Na2 O óxido de sodio;
Cuando existe más de un número de oxidación posible del metal, se nombra
Cr2 O3 óxido de cromo (III); Cr O óxido de cromo (II)
De no metales: Se nombran como óxidos del no metal correspondiente
Ejemplo:
B2 O3 óxido de boro;
Cuando hay más de un estado de oxidación, se nombra:
P2 O3 óxido de fósforo (III); P2 O5 óxido de fósforo (V)
Compuestos de no metal y metal: Se nombran sustituyendo el hidrógeno por un metal y luego el no metal…uro del metal.
Ejemplo:
K Cl Cloruro de potasio; Sn I4 Ioduro de estaño (IV); Pb Br2 Bromuro de plomo (II);
Actividades de fijación de conceptos
1) Escribir la fórmula electrónica o de Lewis, la fórmula mínima o molecular, la fórmula desarrollada si corresponde, los cationes y aniones y la cantidad de átomos de cada elemento de los siguientes compuestos químicos:
a) Bromuro de Platino; b) Carbonato de Níquel; c) Tritóxido de Di nitrógeno; d) Dióxido de Selenio;
e) Trióxido de Azufre; f) Fosfuro de Potasio; g) Ioduro de Hidrogeno; h) Cloruro de Berilio;
i) Nitrato de Estroncio; j) Sulfuro de Litio.
2) Expresar cuales de los siguientes compuestos químicos forman unión covalente y cuales uniones iónicas. Una vez identificada realiza la fórmula electrónica y la desarrollada si corresponde.
a) C O3 b) K2 O c) I2 d) O3 e) PH3 f) Na O H g) N2 O3 h) Cu2 O i) S O j) Al N
3) ¿Podemos decir que la unión de Cromo y Bromo es una unión iónica?
4) ¿Podemos decir que la unión de Potasio y Cobalto es una unión covalente?
5) Nombre y escriba la fórmula electrónica y la mínima del compuesto formado por:
a) Fósforo y Sodio b) Calcio y Azufre c) Nitrógeno e Hierro d) Nitrógeno y Potasio
e) Calcio y Oxígeno f) Yodo y Litio g) Manganeso y Cloro h) Oxígeno y Oro
6) Indicar cuantos iones y cuantos cationes tiene el oxido de plata y el oxido de hierro
7) Completar los espacios vacíos en los siguientes cuadros:
a)
NOMBRE COMPOSICIÓN GEOMETRÍA
MOLECULAR FORMULA DESARROLLADA FORMULA MOLECULAR FORMULA ELECTRONICA O DE LEWIS
Óxido de níquel (III)
2 átomos de O
1 átomo de Si
N2O5
b)
NOMBRE COMPOSICIÓN GEOMETRÍA MOLECULAR FORMULA DESARROLLADA FORMULA MOLECULAR FORMULA ELECTRONICA O DE LEWIS
Heptóxido de dicloro
Co Cl
2 átomos de Li
1 átomo de O
8) Utilizando la TRePEV, predecir la geometría molecular de:
a) N O3 b) P H3 c) H2 S d) C O2
9) Determinar cuáles de las siguientes sustancias pueden considerarse iónicas y cuales covalentes:
a) Fluoruro de estroncio, SrF2
b) Fosfina, PH3
c) Oxido de potasio, K2O
d) Oxido hipocloroso, Cl2O
e) Nitrógeno, N2
f) Bromuro de hidrógeno, HBr
g) Dióxido de carbono, CO2
10) Escribir la estructura de Lewis de los siguientes compuestos, determinando primero si son iónicos o covalentes:
a) Cloruro de cesio, Cs Cl
b) Fluoruro de calcio, CaF2
c) Oxido de sodio, Na2O
d) Nitruro de calcio, Ca3N2
11) Indicar cuál de las siguientes proposiciones referidas al enlace iónico, es falsa:
a) Se basa en la transferencia de electrones entre átomos.
b) Se establece entre átomos cuya diferencia de electronegatividad es pequeña.
c) Se establece entre un elemento metálico y uno no metálico
12) Nombrar los siguientes compuestos binarios en base a la nomenclatura enseñada:
a) CO2 b) P2 O5 c) SO3 d) Al2 O3 e) N2 O3
Las reacciones químicas
Modelización del cambio químico: lo que se conserva y lo que cambia en el proceso. Las reacciones químicas: su representación y su significado. Reacciones de combustión y óxido-reducción. Comportamiento ácido/ básico en sustancias de uso cotidiano. Indicadores ácido-base naturales. La energía asociada a las reacciones químicas: reacciones endotérmicas y exotérmicas. Introducción al concepto de velocidad de reacción.
Cambios físicos y cambios químicos
Las reacciones químicas son procesos de cambio de unas sustancias en otras. De acuerdo con la teoría atómica de la materia se explican como el resultado de un reagrupamiento de átomos para dar nuevas moléculas. Las sustancias que participan en una reacción química y las proporciones en que lo hacen, quedan expresadas en la ecuación química correspondiente, que sirve de base para la realización de diferentes tipos de cálculos químicos.
Cambio Las sustancias
inicialmente… Las moléculas de las
sustancias que intervienen
Físicos No se modifican No se modifican
Químicos Desaparecen y
se producen
nuevas sustancias Cambian las moléculas y las
sustancias que intervienen
se modifican y pasan a ser otras
Una reacción química, es todo proceso termodinámico en el cual una o más sustancias llamadas reactivos, por efecto de un factor energético, se transforman, cambiando su estructura molecular y sus enlaces, en otras sustancias llamadas productos. Esas sustancias pueden ser elementos o compuestos. Un ejemplo de reacción química es la formación de óxido de hierro producida al reaccionar el oxígeno del aire con el hierro de forma natural, o una cinta de magnesio al colocarla en una llama se convierte en óxido de magnesio, como un ejemplo de reacción inducida. A la representación gráfica, simbólica y convencional de las reacciones se les llama ecuaciones químicas.
Tanto los reactivos como los productos se escriben mediante sus fórmulas correspondientes. La flecha indica el sentido de la transformación. Si es posible conviene indicar en la ecuación química el estado físico de reactivos y productos, el cual se suele expresar mediante las siguientes abreviaturas situadas a continuación de la fórmula química:
(s) sólido, (l) líquido, (g) gas, (aq) solución acuosa
El estudio de las reacciones químicas nos permite clasificarlas en distintos grupos:
Tipos de
reacciones
químicas Descripción
de la reacción Representación
mediante
ecuaciones Ejemplo de
reacciones
Reacción de
síntesis Los productos son
más complejos
desde un punto de
vista químico que
los reactivos
A+B→AB
A y B representan
cualquier sustancia
química Síntesis del cloruro de sodio
2Na(s) + Cl2(g) → 2NaCl(s)
Reacción de
descomposición Los productos son
más sencillos que
los reactivos
AB → A + B
A y B representan
cualquier sustancia
química Descomposición del agua
2Na(s) + Cl2(g) → 2NaCl(s)
Reacción de
sustitución o
desplazamiento Siendo uno de los reactivos
una sustancia simple o
elemento, actúa sobre
un compuesto desplazando
a uno de sus elementos y
ocupando el lugar de éste en la
correspondiente molécula.
AB + CD → AD + BC
Donde A, B, C y D
representan cualquier
sustancia química.
Acción del ácido clorhídrico sobre
limaduras de hierro
Fe(s) + 2HCl(aq)→FeCl2 (s) + H2 (g)
El ajuste de las ecuaciones químicas
El conocimiento de cuestiones tales como qué productos cabe esperar a partir de unos reactivos determinados, qué reactivos darán lugar a ciertos productos o incluso si una reacción dada es o no posible, son cuestiones que se aprenden con la práctica. Sin embargo, conocidos los reactivos y los productos, el ajuste de la reacción correspondiente constituye una mera consecuencia de la ley de Lavoisier de conservación de la masa. Además ésta es una operación previa a la realización de muchos de los problemas de química básica.
Uno de los procedimientos habituales empleados para ajustar una reacción química puede describirse en los siguientes términos:
1. Se escribe la reacción química en la forma habitual:
2. Se cuenta el número de átomos de cada elemento en uno y otro miembro de la ecuación. Si son iguales para cada uno de los elementos presentes, la ecuación está ajustada.
3. Si no es así, será preciso multiplicar las fórmulas de los reactivos y productos por ciertos coeficientes tales que produzcan la igualdad numérica deseada. La búsqueda de este conjunto de coeficientes puede hacerse mediante tanteos.
Ecuaciones de formación de óxidos metálicos
Metal + Oxígeno → óxido metálico
Usando los números de oxidación realizamos el óxido de hierro (II) y nos queda:
Fe + O2 → Fe O (ecuación sin balancear; notemos que tenemos a la izquierda dos átomos de oxigeno y a la derecha un solo átomo de oxigeno por la ley de Lavoisier debemos tener igual cantidad de átomos a izquierda y a derecha de la ecuación) entonces
2Fe + O2 → 2FeO (ecuación balanceada)
Ahora vamos a formar con los números de oxidación el óxido de potasio y obtenemos:
K + O2 → K2O (sin balancear) 4K + O2 → 2K2O (ecuación balanceada)
Siguiendo en la misma línea ahora realizamos el óxido de aluminio
Al + O2 → Al2O3 (sin balancear) 4Al + 3O2 → 2Al2O3 (ecuación balanceada)
Ecuaciones de formación de óxidos no metálicos
No metal + Oxígeno → óxido no metalico
Usando los números de oxidación formamos el óxido de cloro (I) y nos queda:
Cl2 + O2 → Cl2O (sin balancear) 2Cl2 + O2 → 2Cl2O (balanceada)
Ahora el óxido de iodo (V)
I2 + O2 → I2 O5 (sin balancear) 2I2 + 5O2 → 2I2 O5 (balanceada)
Nuevamente formamos el óxido de cloro (III)
Cl2 + O2 → Cl2O3 (sin balancear) 2Cl2 + 3O2 → 2Cl2O3 (balanceada)
Óxido de carbono (II)
C + O2 → CO (sin balancear) 2C + O2 → 2CO (balanceada)
Óxido de azufre (VI)
S + O2 → SO3 (sin balancear) 2S + 3O2 → 2SO3 (balanceada)
Ecuaciones de formación de hidruros
No metal + Hidrógeno → hidruro
Usando los números de oxidación formamos el ácido clorhídrico (número de oxidación del Cl = 1)
Cl2 + H2 → H Cl (sin balancear) Cl2 + H2 → 2 H Cl (balanceada)
Ecuaciones de formación de sales binarias
Metal + Ácido → sal binaria + hidrógeno
Ácido clorhídrico más calcio se forma cloruro de calcio más hidrógeno
Ca + HCl → CaCl2 + H2 (sin balancear) Ca + 2HCl → Ca Cl2 + H2 (balanceada)
Las reacciones exotérmicas y endotérmicas son reacciones químicas asociadas a una variación de energía. Las exotérmicas son aquellas que desprenden calor. Las endotérmicas son las que lo absorben. Toda reacción química implica la ruptura de enlaces para formar otros nuevos, lo que siempre lleva asociada una variación de energía. En ese proceso se intercambia energía entre el sistema y el entorno. Si la reacción necesita calor, es endotérmica, y si lo libera, exotérmica.
Reacciones reversibles: son aquellas en las que los reactivos no se consumen totalmente. Los productos a su vez pueden formar nuevamente los reactivos, estableciéndose un equilibrio entre ambos procesos. Se denomina equilibrio químico, y puede alterarse en uno u otro sentido con introducir alguna modificación en el sistema. Se indica con una flecha que va de izquierda a derecha y otra que va de derecha a izquierda.
Reacciones irreversibles: son aquellas en las que los reactivos se consumen totalmente y finalizan cuando se acaba el reactivo limitante. Se indican con una flecha que va de izquierda a derecha.
Reacciones de óxido-reducción: algunos de los átomos de las moléculas que intervienen en la reacción, modifican su número de oxidación; siempre hay una especie que aumenta su estado de oxidación (es decir, se oxida) y otra que lo disminuye (se reduce). Un ejemplo es:
2 Fe0 (s) + 6 H+ Cl (ac) → 2 Fe+3Cl3 (ac) + 3 H20 (g)
Reacciones de combustión
La reacción de combustión se basa en la reacción química exotérmica de una sustancia o mezcla de sustancias llamada combustible con el oxígeno (comburente). Es característica de esta reacción la formación de una llama, que es la masa gaseosa incandescente que emite luz y calor, que está en contacto con la sustancia combustible.
La reacción de combustión puede llevarse a cabo directamente con el oxigeno o bien con una mezcla de sustancias que contengan oxígeno, llamada comburente, siendo el aire atmosférico el comburente más habitual.
La reacción del combustible con el oxígeno origina sustancias gaseosas entre las cuales las más comunes son CO2 y H2O. Se denominan en forma genérica productos, humos o gases de combustión. Es importante destacar que el combustible solo reacciona con el oxigeno y no con el nitrógeno, el otro componente del aire. Por lo tanto el nitrógeno del aire pasará íntegramente a los productos de combustión sin reaccionar.
Las reacciones química que se utilizan en el estudio de las combustiones técnicas tanto si se emplea aire u oxigeno, son muy sencillas y las principales son:
C + O2 --------------→ CO2
2 CO + O2 ----------→ 2 CO2
2 H2 + O2 -------------→ 2 H2O
S + O2 -----------------→ SO2
2 SH2 + 3 O2 --------- → 2 SO2 +2 H2O
Entre las sustancias más comunes que se pueden encontrar en los productos o humos de la reacción se encuentran:
* CO2
* H2O como vapor de agua
* N2
* O2
* CO
* H2
* Carbono en forma de hollín
* SO2
De acuerdo a como se produzcan las reacciones de combustión, estas pueden ser de distintos tipos:
Combustión completa: Ocurre cuando las sustancias combustibles reaccionan hasta el máximo grado posible de oxidación. En este caso no habrá presencia de sustancias combustibles en los productos o humos de la reacción. Los productos que se forman son el dióxido de carbono (CO2) y el agua, el dióxido de azufre (SO2) (si el combustible contiene azufre) y pueden aparecer óxidos de nitrógeno (NOx), dependiendo de la temperatura y la cantidad de oxígeno en la reacción.
Combustión incompleta: Se produce cuando no se alcanza el grado máximo de oxidación y hay presencia de sustancias combustibles en los gases o humos de la reacción. Los productos que se queman pueden no reaccionar con el mayor estado de oxidación, debido a que el comburente y el combustible no están en la proporción adecuada, dando como resultado compuestos como el monóxido de carbono (CO). Además, pueden generarse cenizas.
El proceso de destruir materiales por combustión se conoce como incineración.
Para iniciar la combustión de cualquier combustible, es necesario alcanzar una temperatura mínima, llamada temperatura de ignición, que se define como, a la temperatura mínima necesaria para que los vapores generados por un combustible comiencen a arder o hervir depende de su temperatura y se parece a una sustancia pura, o combinada y eso lo convierte en un cambio químico – físico, se mide en °C.
La temperatura de inflamación, en °C y a 1 atm es aquella temperatura a la que un combustible emite gases inflamables suficientes para alcanzar en su atmósfera el límite inferior de inflamabilidad, a partir del cual, con una fuente de calor externa puede producirse una combustión no auto mantenida. la que, una vez encendidos los vapores del combustible, éstos continúan por si mismos el proceso de combustión.
Reacciones de Corrosión
Sabemos que los materiales de hierro se oxidan más rápidamente que los materiales de aluminio. ¿Por qué ocurre eso?
Se trata de una oxidación que comúnmente se llama “corrosión”; la humedad es un factor que acelera la formación del óxido de hierro. Los efectos de la corrosión, a veces, suelen dañar maquinarias, reactores, etc.; los especialistas en corrosión pueden detener estos efectos. Hay algunos metales como el zinc, el aluminio, el níquel que no se corroen, o si lo hacen es para formar una ligera capa de óxido que más bien les sirve de protección al resto del material para que no se siga oxidando.
Ácidos y bases
Los ácidos y las bases son sustancias centrales en la vida. Estos compuestos están relacionados con todos los seres vivos, por ejemplo, el ácido clorhídrico es un componente importante de los jugos gástricos y el ácido láctico se forma en los músculos cuando realizamos alguna actividad física.
Muchas sustancias de uso cotidiano, como los refrescos, los jugos de frutas y el vinagre son ácidos; otros, como detergentes, blanqueadores y los productos que se utilizan para destapar las cañerías son bases. En la industria química algunos ácidos son materia prima para la fabricación de una multitud de sustancias como los fertilizantes, pigmentos y diversas sales; en la industria alimentaria y en la farmacéutica es necesario controlar la acidez y la basicidad de los alimentos y medicamentos para evitar que éstos se descompongan o pierdan su buena apariencia.
El pH o potencial de hidrogeniones es un parámetro que sirve para medir o expresar la acidez o la alcalinidad de un líquido. Se define como el exponente positivo de la concentración de los iones del Hidrógeno (hidrogeniones). El pH suele tomar valores entre 0 y 14, un pH de 7 es neutro y no es ni ácido ni básico. Un pH entre 0 y 7 indica que la sustancia es ácida. Un pH entre 7 y 14 le denomina básica. Cuanto más alejado este el valor de 7, más ácida o básica será la sustancia.
Algunas de las propiedades de los ácidos y las bases determinan sus usos. El más común es eliminar el exceso de uno de ellos utilizando el otro, por medio de una neutralización. Esta reacción se utiliza habitualmente para eliminar el exceso de acidez del estomago con bases débiles como la leche de magnesia (hidróxido de magnesio) y para regular la acidez de la boca con enjuagues bucales o dentífricos.
Los suelos naturalmente tienen un pH de 3.5 a 8,5 y como el óptimo para la mayoría de los cultivos es de 6 a 7, si es necesario se ajusta con cal si está demasiado ácido o con azufre o algún sulfato si está muy alcalino.
Otro uso similar tiene lugar en el proceso de potabilización del agua donde debido al agregado de sustancias como el cloro, se acidifica por lo que se le agrega cal antes de enviarla a la red.
La capacidad de las bases de reaccionar con las grasas dando como producto jabón (saponificación), explica su uso en productos para limpiar el horno o destapar cañerías.
Los ácidos y las bases son la materia prima para obtener sales como varias de las utilizadas como fertilizantes (sulfato de amonio, cloruro de amonio).
Para averiguar si una sustancia es ácida, básica o neutra se pueden usar los Indicadores Naturales que cambian de color, según el medio en que se encuentren. Elaborados a partir del repollo colorado y la remolacha contienen pigmentos llamados antocianinas, que toman un color rosado o rojo si están en contacto con soluciones ácidas y cambian al azul o verdoso frente a soluciones básicas o alcalinas.
Otros indicadores son:
Flores Lilas; Las variaciones que sufren, tanto en el color y como en el pH, viran desde color rosado suave en presencia de un pH ácido igual a 1.62 hasta el color verde en presencia de un pH neutro igual a 7.
Jacarandá; Las variaciones que sufren, tanto en el color y como en el pH, viran desde color rosado suave en presencia de un pH ácido igual a 1.6 hasta el color verde en presencia de un pH igual a 6 muy próximo al neutro.
Cucarda rosada; Las variaciones que sufren tanto en el color y como en el pH, viran desde incoloro en presencia de un pH ácido igual a 1.6 hasta el color verde en presencia de un pH neutro igual a 7.
Rositas perfumadas; Las variaciones que sufren, tanto en el color y como en el pH, viran desde color rosado suave en presencia de un pH ácido igual a 1.5 hasta el color verde en presencia de un pH igual a 5.
La lluvia ácida se forma cuando la humedad en el aire se combina con los óxidos de nitrógeno y el dióxido de azufre emitidos por fábricas, centrales eléctricas y vehículos que queman carbón o productos derivados del petróleo. En interacción con el vapor de agua, estos gases forman ácido sulfúrico y ácidos nítricos, finalmente, estas sustancias químicas caen a la tierra acompañando a las precipitaciones.
Los contaminantes atmosféricos primarios que dan origen a la lluvia ácida pueden recorrer grandes distancias, siendo trasladados por los vientos cientos o miles de kilómetros antes de precipitar en forma de rocío, lluvia, llovizna, granizo, nieve, niebla o neblina. Cuando la precipitación se produce, puede provocar importantes deterioros en el ambiente.
La lluvia normalmente presenta un pH de aproximadamente 5.65 (ligeramente ácido), debido a la presencia del CO2 atmosférico, que forma ácido carbónico, H2CO3. Se considera lluvia ácida si presenta un pH de menos de 5 y puede alcanzar el pH del vinagre (pH 3). Estos valores de pH se alcanzan por la presencia de ácidos como el ácido sulfúrico, H2SO4, y el ácido nítrico, HNO3. Estos ácidos se forman a partir del dióxido de azufre, SO2, y el monóxido de nitrógeno que se convierten en ácidos.
Velocidad de reacción
Cuando reaccionan dos o más sustancias se producen nuevos materiales, lo cual ocurre en un tiempo determinado; todo depende de un conjunto de factores que influyen en la rapidez de reacción, tales como: naturaleza de los reaccionantes, división de los materiales reaccionantes, concentración, temperatura y la presencia de catalizadores. Todos estos factores hacen que unas reacciones sean más rápidas y otras más lentas: podemos determinar la rapidez con que reaccionan dos sustancias, tomando en cuenta la cantidad de sustancia transformada o producida en función del tiempo.
Se define la velocidad v de una reacción, como la cantidad de reactivo que se consume, o la de producto que se forma, por unidad de volumen en la unidad de tiempo.
Factores que afectan la rapidez de una reacción química:
1) Factores relacionados con los reaccionantes
a. Naturaleza de los reaccionantes
b. Concentración de los reaccionantes
c. Grado de subdivisión de los reaccionantes 2) Factores relacionados con la reacción.
a. Temperatura de la reacción
b. Presencia de un catalizador en una reacción
Actividades de fijación de conceptos
1) Indiquen si los siguientes cambios son físicos o químicos:
a) Se rompe una piedra. ______________________
b) Se quema un trozo de madera. ______________________
c) Se oxida una pieza de hierro. ________________________
d) Se mezcla arena con agua. ___________________________
e) Se volatiliza un trozo de naftalina. ______________________
f) Se sintetiza una proteína a partir de los aminoácidos. ___________________
h) Se digiere un almuerzo___________________________
i) Se clava con un martillo____________________________
j) Se tiñe el cabello canoso_________________________
2) Responde V o F
a) Una reacción química se representa por ecuaciones químicas_________
b) La cantidad de átomos de una ecuación química son distintas entre los reactivos y los productos_______
c) Una reacción química de síntesis parte de dos sustancias que dan un solo compuesto_______
d) La reacción química de combustión desprende agua_________
e) No es necesario el comburente para producir la combustión_____________
f) En ambientes secos la corrosión es mayor que en ambientes húmedos________
g) La lluvia ácida tiene un PH de siete________
h) El detergente es una sustancia ácida__________
i) Cuando aumenta la temperatura de un compuesto aumenta su velocidad de reacción_______
3) Indica en las siguientes ecuaciones químicas cual es de sustitución, cual de síntesis y cual de descomposición:
a) CaCO3 → CaO + C O2 __________________
b) H2 S O4 + 2Na OH → Na2 S O4 + 2H2 O _________________
c) Mg O + S O3 → Mg S O4 ________________________
4) Completar la frase:
a) En una reacción de síntesis dos compuestos forman_____________________
b) En una reacción reversible los productos pueden volver a convertirse en___________________
c) En una reacción endotérmica se produce el desprendimiento de________________
d) En una reacción irreversible el reactivo solo puede convertirse en__________________
e) En una reacción de descomposición el compuesto se puede transformar en______________________
f) El proceso de destruir materiales por combustión se llama_________________________________
g) La temperatura mínima para que los vapores comiencen a arder es la______________________________
h) Para averiguar el PH de una sustancia debemos usar los_____________________________________
i) Cuando no se alcanza el grado máximo de oxidación en una combustión es_______________________
5) Dada las siguientes ecuaciones balancearlas escribiéndolas al lado:
a) Fe + O2 → Fe2O _______________________________________________
b) Sr + O2 → SrO ______________________________________________
c) N2 + O2 → N2O3 _______________________________________________
d) Ca + O2 → CaO ______________________________________________
e) Br2 + H2 → HBr _______________________________________________
f) Al + HF → AlF3 + H2 ___________________________________________
g) Na +H2S → Na2S + H2 __________________________________________
h) Mn O2 + H Cl → Mn Cl2 + Cl2 + H2 O ______________________________
i) Fe + H Cl → Fe Cl3 + H2 ________________________________________
j) Ag N O3 + H Cl → Ag Cl + H NO3 _________________________________
k) Zn + H Cl → Zn Cl2 + H2 ___________________________________
l) S H2 + O2 → S O2 + H2 O ________________________________________
m) C3 H8 + O2 → C O2 + H2 O ______________________________________
n) Fe2 O3 + C O → Fe + CO2 _______________________________________
o) Mg3 N2 + H2 O → N H3 + Mg (OH)2 ___________________________
p) Sn Cl2 + Hg Cl2 → Sn Cl4 + Hg2 Cl2 ____________________________
q) P4 + O3 → P2 O5 __________________________________________
6) De acuerdo a las siguientes reacciones químicas, balancearlas en el caso que sea necesario y clasificarlas teniendo en cuenta el proceso que ocurre:
a) Mg + O2 → Mg O
b) H Br + Na OH → Na Br + H2 O
c) C H4 + O2 → C O2 + H2 O
d) Ca C O3 → Ca O + C O2
e) N2 + H2 → N H3
f) Ag2 O → Ag + O2
g) O + O2 → O3
h) C H3 OH + O2 → C O2 + H2 O
i) Li OH + HF → Li F + H2 O
7) Indicar en las siguientes ecuaciones químicas, el tipo de reacción química se produjo y si es reversible o no:
a) H Cl + Na OH → Na Cl + H2O (l)
b) P2 O5 (s) +3 H2 O → 2H3 P O4 (l)
c) 2 N H3 → 3 H2 + N2 ↑
d) 2 H2 (g) + O2 (g) 2 H2 O
8) Indicar si las siguientes ecuaciones químicas son endotérmicas o exotérmicas:
a) 2 N H3 → 3 H2 + N2 ↑
b)
En la ecuación b) además expresar cual es el comburente y cuál es el combustible, indicar la cantidad de moléculas de octano, de oxígeno, de dióxido de carbono y de agua.
Las reacciones nucleares
Reacciones de fisión y fusión. Magnitudes conservadas en las reacciones nucleares. Energía implicada en reacciones nucleares. Reacciones controlada y espontánea. Reactores nucleares. Radiactividad natural. Aplicaciones tecnológicas de las radiaciones y sus consecuencias.
Fisión nuclear: Es la división del núcleo de un átomo. El núcleo se convierte en diversos fragmentos con una masa casi igual a la mitad de la masa original más dos o tres neutrones.
La primera reacción de fisión nuclear fue la del uranio-235 bombardeado con neutrones lentos, ésta reacción es muy compleja generando más de 30 elementos distintos como productos; en uno de los casos es la siguiente ecuación química donde los productos son isotopos del cesio y del rubidio más tres neutrones:
La característica relevante en la fisión del uranio -235 no es solo la enorme cantidad de energía liberada, sino el hecho de que se producen más neutrones que los capturados originalmente en el proceso. Esta propiedad hace posible la reacción en cadena que es una secuencia de reacciones de fisión nuclear auto sostenidas.
Analicemos ahora que hemos estudiado la reacción nuclear el proceso en la ecuación química con los neutrones producidos si se mantienen balanceados como hemos estudiado en la unidad anterior:
REACTIVOS
Se bombardeó con un neutrón (es el primer término de la ecuación)
Uranio (es el segundo término de la ecuación)
A = 235 Z = 92 → N = 235 -92 = 143 neutrones
PRODUCTOS
Cesio (es el primer término)
A = 140 Z = 55 → N = 140 – 55 = 85 neutrones
Rubidio (es el segundo término)
A = 93 Z = 37 → N = 93 – 37 = 56 neutrones
Se producen 3 neutrones (es el tercer término de la ecuación)
Entonces tenemos sumando los neutrones de los reactivos y productos
1 + 143 → 85 + 56 + 3
144 neutrones → 144 neutrones
Fusión nuclear: Es la combinación de pequeños núcleos para formar otros mayores, esta es una reacción nuclear en la que dos núcleos de átomos ligeros, en general el hidrógeno y sus isótopos (deuterio y tritio), se unen para formar otro núcleo más pesado, liberando una gran cantidad de energía.
Lo vemos a diario en la energía solar que tiene su origen en la fusión de núcleos de hidrógeno, generándose helio y liberándose una gran cantidad de energía que llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética.
La fusión nuclear necesita de las siguientes condiciones:
Temperatura muy elevada para separar los electrones del núcleo y que éste se aproxime a otro venciendo las fuerzas de repulsión electrostáticas. La masa gaseosa compuesta por electrones libres y átomos altamente ionizados se denomina PLASMA. Por esto reciben también el nombre de reacciones termonucleares.
Confinamiento necesario para mantener el plasma a elevada temperatura durante un tiempo mínimo.
Densidad del plasma suficiente para que los núcleos estén cerca unos de otros y puedan dar lugar a las reacciones de fusión.
Analicemos a continuación las ecuaciones de fusión nuclear:
¿Que nos indica esta ecuación?
Dos isótopos de hidrógeno se unen y producen helio más un neutrón.
Reactivos
Isótopos de hidrógeno
El primero
A = 2 Z = 1 → N = 2 – 1 = 1 neutrón
El segundo
A = 3 Z = 1 → N = 3 – 1 = 2 neutrones
Productos
Helio
A = 4 Z = 2 → N = 4 – 2 = 2 neutrones
Más un neutrón de
Entonces tenemos sumando los neutrones de los reactivos y productos
1 + 2 → 2 + 1
3 neutrones → 3 neutrones
Notamos que en las reacciones nucleares, a diferencia de las reacciones químicas, no se conserva el tipo y el número de átomos intervinientes; sino que se conservan las cantidades de neutrones.
Es bien sabido que las tres cuartas parte del Planeta están cubiertas por agua, cuyas moléculas están formadas por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno.
El Deuterio es un isótopo estable del hidrógeno formado por un protón y un neutrón. Su abundancia en el agua es de un átomo por cada 6.500 átomos de Hidrógeno, lo que significa que con el contenido de deuterio existente en el agua del mar (34 gramos por metro cúbico) es posible obtener una energía inagotable mediante la fusión nuclear, y cuyo contenido energético es tal que con la cantidad de deuterio existente en cada litro de agua de mar, la energía obtenida por la fusión nuclear de estos átomos de deuterio equivale a 250 litros de petróleo.
El otro elemento empleado en la fusión nuclear es el Tritio, es el isótopo inestable o radiactivo del átomo de hidrógeno. Está compuesto por un protón y dos neutrones y se desintegra por emisión beta con relativa rapidez, y aunque es escaso en la naturaleza, puede ser generado por reacciones de captura neutrónica con los isótopos del Litio, material abundante en la corteza terrestre y en el agua del mar.
La fusión nuclear es una energía limpia ya que no produce gases nocivos y genera residuos nucleares de muy baja actividad.
Un reactor de fusión nuclear es intrínsecamente seguro ya que la propia reacción se detiene al cortar el suministro de combustible. No depende de ningún sistema externo de seguridad susceptible de errores.
Es una fuente inagotable de energía ya que el Deuterio existe en abundancia en la naturaleza y el Tritio es generado dentro del propio reactor a partir del Deuterio.
El Carbono tiene dos isótopos estables no radiactivos, carbono-12 (12C), y carbono-13 (13C). Además hay minúsculas cantidades de isotopos inestables de carbono-14 (14C) en la Tierra. El carbono-14 tiene un periodo de semi desintegración de 5730 años y podría haber desaparecido de la tierra hace mucho tiempo si no fuera por los incesantes impactos de rayos cósmicos sobre el nitrógeno en la atmósfera de la tierra, donde se forma más isótopos. Cuando los rayos cósmicos entran en la atmósfera, experimentan varias transformaciones, incluyendo la producción de neutrones.
Los neutrones resultantes participan en la siguiente reacción en la que uno de los átomos es lanzado fuera de la molécula de nitrógeno (N2) en la atmósfera:
La tasa más alta de producción de carbono-14 tiene lugar en altitudes entre 9 y 15 km, y en altas latitudes geomagnéticas, pero el carbono-14 se esparce uniformemente sobre la atmosfera y reacciona con el oxígeno para formar dióxido de carbono.
Otra reacción nuclear donde se emiten una cantidad de fotones creados por liberación de energía térmica y radiación, los fotones radiados a esta temperatura son tan energéticos que dividen al neón, en oxígeno y helio a esta fisión causada por fotones de alta energía se conoce como fotodesintegración por acción de los rayos gamma.
Desintegración del neutrón
Un neutrón se convierte en un protón, un electrón y un neutrino electrónico:
Este proceso ocurre espontáneamente en neutrones libres, en el transcurso de 614,6 s de vida media, y se denomina desintegración -
Esta desintegración tiene una falta de energía, ya que la energía inicial es mayor que la final. Así que Pauli predijo que debía existir una partícula con ciertas características y muy difícil de detectar que se llevase la energía que faltaba. Así fue como se postuló por primera vez el neutrino.
Tipos de radiación
Partícula alfa: Son flujos de partículas cargadas positivamente compuestas por dos neutrones y dos protones (núcleos de helio). Son desviadas por campos eléctricos y magnéticos. Son poco penetrantes, aunque muy ionizantes. Son muy energéticas. Fueron descubiertas por Rutherford, quien hizo pasar partículas alfa a través de un fino cristal y las atrapó en un tubo de descarga. Este tipo de radiación la emiten núcleos de elementos pesados situados al final de la tabla periódica (A >100). En el proceso se desprende mucha energía, que se convierte en la energía cinética de la partícula alfa, por lo que estas partículas salen con velocidades muy altas.
Desintegración beta: Son flujos de electrones resultantes de la desintegración de los neutrones o protones del núcleo cuando éste se encuentra en un estado excitado. Es desviada por campos magnéticos. Es más penetrante, aunque su poder de ionización no es tan elevado como el de las partículas alfa. Por lo tanto, cuando un átomo expulsa una partícula beta, su número atómico aumenta o disminuye una unidad (debido al protón ganado o perdido). Existen tres tipos de radiación beta: la radiación beta-, que consiste en la emisión espontánea de electrones por parte de los núcleos; la radiación beta+, en la que un protón del núcleo se desintegra y da lugar a un neutrón, o partícula Beta+ la captura electrónica que se da en núcleos con exceso de protones, en la cual el núcleo captura un electrón de la corteza electrónica, que se unirá a un protón del núcleo para dar un neutrón.
Radiación gamma: Se trata de ondas electromagnéticas. Es el tipo más penetrante de radiación. Al ser ondas electromagnéticas de longitud de onda corta, tienen mayor penetración y se necesitan capas muy gruesas de plomo u hormigón para detenerlas. En este tipo de radiación, el núcleo no pierde su identidad, sino que se desprende de la energía que le sobra para pasar a otro estado de energía más baja emitiendo los rayos gamma, o sea fotones muy energéticos. Por ser tan penetrante y tan energética, éste es el tipo más peligroso de radiación.
Generación de isotopos en forma artificial
Los isótopos artificiales son fabricados en laboratorios nucleares con bombardeo de partículas subatómicas, estos isótopos suelen tener una corta vida, en su mayoría por la inestabilidad y radioactividad que presentan, uno de estos es el Cesio cuyos isótopos artificiales son usados en plantas nucleares de generación eléctrica, otro muy usado es el Iridio 192 que se usa para verificar que las soldaduras de tubos estén selladas herméticamente, sobre todo en tubos de transporte de crudo pesado y combustibles, alguno isótopos del Uranio también son usados para labores de tipo nuclear como generación eléctrica o en bombas atómicas con principio de fisión nuclear.
REACTORES NUCLEARES
¿Qué es un Reactor Nuclear?
Es una instalación física donde se produce, mantiene y controla una reacción nuclear en cadena. Por lo tanto, en un reactor nuclear se utiliza un combustible adecuado que permita asegurar la normal producción de energía generada por las sucesivas fisiones. Algunos reactores pueden disipar el calor obtenido de las fisiones, otros sin embargo utilizan el calor para producir energía eléctrica.
El primer reactor construido en el mundo fue operado en 1942, en dependencias de la Universidad de Chicago (USA), bajo la atenta dirección del famoso investigador Enrico Fermi. De ahí el nombre de “Pila de Fermi”, como posteriormente se denominó a este reactor. Su estructura y composición eran básicas si se le compara con los reactores actuales existentes en el mundo, basando su confinamiento y seguridad en sólidas paredes de ladrillos de grafito.
Elementos de un Reactor Nuclear
1. Núcleo 5. Vasija 9. Condensador
2. Barras de control 6. Turbina 10. Agua de refrigeración
3. Generador de vapor 7. Alternador 11. Contención de hormigón
4. Presionador 8. Bomba
El Combustible:
Material fisionable utilizado en cantidades específicas y dispuestas en forma tal, que permite extraer con rapidez y facilidad la energía generada. El combustible en un reactor se encuentra en forma sólida, siendo el más utilizado el Uranio bajo su forma isotópica de U-235. Sin embargo, hay elementos igualmente fisionables, como por ejemplo el Plutonio que es un subproducto de la fisión del Uranio.
En la naturaleza existe poca cantidad de Uranio fisionable, es alrededor del 0,7%, por lo que en la mayoría de los reactores se emplea combustible “enriquecido”, es decir, combustible donde se aumenta la cantidad de Uranio 235.
Barras de Combustible:
Son el lugar físico donde se confina el Combustible Nuclear. Algunas Barras de Combustible contienen el Uranio mezclado en Aluminio bajo la forma de láminas planas separadas por una cierta distancia que permite la circulación de fluido para disipar el calor generado. Las láminas se ubican en una especie de caja que les sirve de soporte.
Núcleo del Reactor:
Está constituido por las Barras de Combustible. El núcleo posee una forma geométrica que le es característica, refrigerado por un fluido, generalmente agua. En algunos reactores el núcleo se ubica en el interior de una piscina con agua, a unos 10 a 12 metros de profundidad, o bien al interior de una vasija de presión construida en acero.
Barras de Control:
Todo reactor posee un sistema que permite iniciar o detener las fisiones nucleares en cadena. Este sistema lo constituyen las Barras de Control, capaces de capturar los neutrones que se encuentran en el medio circundante. La captura neutrónica evita que se produzcan nuevas fisiones de núcleos atómicos del Uranio. Generalmente, las Barras de Control se fabrican de Cadmio o Boro.
Moderador:
Los neutrones obtenidos de la fisión nuclear emergen con velocidades muy altas (neutrones rápidos). Para asegurar continuidad de la reacción en cadena, es decir, procurar que los “nuevos neutrones” sigan colisionando con los núcleos atómicos del combustible, es necesario disminuir la velocidad de estas partículas (neutrones lentos). Se disminuye la energía cinética de los neutrones rápidos mediante choques con átomos de otro material adecuado, llamado Moderador.
Se utiliza como Moderador el agua natural (agua ligera), el agua pesada (deuterada), el Carbono (grafito), etc.
Refrigerante:
El calor generado por las fisiones se debe extraer del núcleo del reactor. Para lograr este proceso se utilizan fluidos en los cuales se sumerge el núcleo. El fluido no debe ser corrosivo, debe poseer gran poder de absorción calorífico y tener pocas impurezas. Se puede utilizar de refrigerante el agua ligera, el agua pesada, el anhídrido carbónico, etc
Blindaje:
En un reactor se produce gran cantidad de todo tipo de radiaciones, las cuales se distribuyen en todas direcciones. Para evitar que los operarios del reactor y el medio externo sean sometidos indebidamente a tales radiaciones, se utiliza un adecuado “Blindaje Biológico” que rodea al reactor. Los materiales más usados en la construcción de blindajes para un reactor son el agua, el plomo y el hormigón de alta densidad, con a los menos 1,5 metros de espesor.
Tipos de Reactores Nucleares
Existen dos tipos de reactores:
- Los Reactores de Investigación.
Utilizan los neutrones generados en la fisión para producir radioisótopos o bien para realizar diversos estudios en materiales.
-
Los Reactores de Potencia.
Estos reactores utilizan el calor generado en la fisión para producir energía eléctrica, desalinización de agua de mar, calefacción, o bien para sistemas de propulsión.
Existen otros criterios para clasificar diversos tipos de reactores:
- Según la velocidad de los neutrones que emergen de las reacciones de fisión. Se habla de reactores rápidos o bien reactores térmicos.
- Según el combustible utilizado. Hay reactores de Uranio natural (la proporción de Uranio utilizado en el combustible es muy cercana a la que posee en la naturaleza), de Uranio enriquecido (se aumenta la proporción de Uranio en el combustible).
- Según el moderador utilizado. Se puede utilizar como moderador el agua ligera, el agua pesada o el grafito.
- Según el refrigerante utilizado. Se utiliza como refrigerante el agua (ligera o pesada), un gas (anhídrido carbónico, aire), vapor de agua, sales u otros líquidos. Estos materiales pueden actuar en cierto tipo de reactores como refrigerante y moderador a la vez.
Hay dos tipos de reactores de potencia de mayor uso en el mundo: el Reactor de Agua en Ebullición y el Reactor de Agua a Presión:
Reactor de Agua en Ebullición (BWR)
Ha sido desarrollado principalmente en Estados Unidos, Suecia y Alemania.
Utiliza agua natural purificada como moderador y refrigerante. Como combustible dispone de Uranio-238 enriquecido con Uranio-235, el cual como se sabe, facilita la generación de fisiones nucleares.
El calor generado por la reacciones en cadena se utiliza para hacer hervir el agua. El vapor producido se introduce en una turbina que acciona un generador eléctrico. El vapor que sale de la turbina pasa por un condensador, donde es transformado nuevamente en agua líquida. Posteriormente vuelve al reactor al ser impulsada por una bomba adecuada.
1. Núcleo del reactor. 4. Presionador. 7. Alternador. 10. Agua de refrigeración.
2. Barras de control. 5. Vasija. 8. Bomba 11. Transformador.
3. Cambiador de calor (generador de vapor). 6. Turbina. 9. Condensador. 12. Recinto de contención de hormigón armado.
13. Contención primaria de acero.
Reactor de Agua a Presión (P.W.R.)
Es ampliamente utilizado en Estados Unidos, Alemania, Francia y Japón.
El refrigerante es agua a gran presión. El moderador puede ser agua o bien grafito. Su combustible también es Uranio-238 enriquecido con Uranio-235. El reactor se basa en el principio de que el agua sometida a grandes presiones puede evaporarse sin llegar al punto de ebullición, es decir, a temperaturas mayores de 100 °C. El vapor se produce a unos 600 °C, el cual pasa a un intercambiador de calor donde es enfriado y condensado para volver en forma líquida al reactor. En el intercambio hay traspaso de calor a un circuito secundario de agua. El agua del circuito secundario, producto del calor, produce vapor, que se introduce en una turbina que acciona un generador eléctrico.
1. Núcleo del reactor. 5. Vasija. 9. Condensador.
2. Barras de control. 6. Turbina. 10. Agua de refrigeración.
3. Cambiador de calor (generador de vapor). 7. Alternador. 11. Transformador.
4. Presionador. 8. Bomba. 12. Recinto de contención de hórmigon armado.
Seguridad en los Reactores Nucleares
Sistemas de Control.
Básicamente está constituido por las barras de control y por diversa instrumentación de monitoreo.
Las barras de control son accionadas por una serie de sistemas mecánicos, eléctricos u electrónicos, de tal manera de asegurar con rapidez la extinción de las reacciones nucleares.
La instrumentación de monitoreo se ubica en el interior o en el exterior del núcleo del reactor y su finalidad es mantener constante vigilancia de aquellos parámetros necesarios para la seguridad: presión, temperatura, nivel de radiación, etc.
Sistemas de Contención.
Constituido por una serie de barreras múltiples que impiden el escape de la radiación y de los productos radiactivos.
La primera barrera, en cierto tipo de reactores, es un material cerámico que recubre el Uranio utilizado como elemento combustible.
La segunda barrera es la estructura que contiene al Uranio, es decir, se trata de las barras de combustible.
La tercera barrera es la vasija que contiene el núcleo del reactor. En los reactores de potencia se denomina vasija de presión y se construye de un acero especial con un revestimiento interior de acero inoxidable.
La cuarta barrera lo constituye el edificio que alberga al reactor en su conjunto. Se conoce con el nombre de “Edificio de Contención” y se construye de hormigón armado de, a lo menos, 90 cm de espesor. Se utiliza para prevenir posibles escapes de productos radiactivos al exterior, resistir fuertes impactos internos o externos, soportar grandes variaciones de presión y mantener una ligera depresión en su interior que asegure una entrada constante de aire desde el exterior, de tal forma de evitar cualquier escape de material activado.
Concepto de Seguridad a Ultranza.
Toda central nuclear se diseña y construye bajo el concepto de Seguridad a Ultranza, es decir, se privilegia ante todo la seguridad de toda instalación. Se busca reducir al mínimo posible toda exposición a las radiaciones, no sólo en caso de accidente, sino durante las operaciones normales de su personal.
Ciclo del Combustible Nuclear
El Ciclo del Combustible Nuclear son todos los procesos por los cuales se somete al Uranio desde que se extrae de la tierra hasta su utilización en el reactor y su posterior reelaboración o su almacenamiento como residuo. Consta de las siguientes etapas:
1. Primera etapa de Minería y Concentración del Uranio.
En esta etapa se extrae el mineral y se separa el Uranio que contiene. Posteriormente se eliminan las impurezas que aún contiene el mineral de Uranio obtenido en el proceso de separación inicial. La concentración del mineral consiste en utilizar procesos físico-químicos para aumentar los contenidos de Uranio a valores superiores al 70%.
2. Segunda etapa de Conversión y Enriquecimiento.
El Uranio concentrado se purifica por medio de sucesivos tratamientos en disoluciones y precipitaciones hasta que se convierte en un elemento llamado Hexafloruro de Uranio. Posteriormente el Hexafloruro de Uranio se enriquece, es decir, se aumenta la proporción de átomos de Uranio-235 con respecto al Uranio-238. Para ello se realiza una separación selectiva a nivel atómico, utilizando procesos de difusión gaseosa, ultra centrifugación, procesos aerodinámicos, intercambio químico o métodos de separación por láser.
3. Tercera etapa de Fabricación de Elementos Combustibles.
El Uranio enriquecido se somete a presión y altas temperaturas para transformarlo en pequeños cuerpos cerámicos. Las pastillas cerámicas se colocan en el interior de unas varillas rellenadas con un gas inerte. Las varillas se apilan en un tubo fabricado de una aleación de circonio, dando forma al llamado Elemento Combustible.
4. Cuarta etapa de Uso del Combustible en un reactor.
Los Elementos Combustibles se introducen en el interior del reactor y forman parte del núcleo del mismo. El Uranio presente en los Elementos Combustibles genera las fisiones que activan al reactor y a medida que transcurre el tiempo se gasta, dejando como desecho los productos de fisión, por ejemplo el Plutonio.
En las centrales de potencia el combustible gastado se almacena temporalmente en la propia instalación, en una piscina especialmente adecuada para ello, lo que permite bajar la actividad de los productos de fisión de vida corta.
5. Quinta etapa de Reelaboración.
Se sabe que en el combustible gastado se ha consumido sólo una pequeña fracción del Uranio que contiene. Se procede entonces a la reelaboración del combustible con el objeto de separar el Uranio que aún es utilizable. En el proceso de reelaboración también se pueden aislar ciertas cantidades de Plutonio u otros productos de fisión, los cuales son de utilidad en el funcionamiento de algunos tipos de reactores. La reelaboración es compleja y demanda fuertes inversiones en plantas industriales de alta tecnología.
6. Sexta etapa de Almacenamiento de Residuos.
El almacenamiento de los residuos puede ser temporal o definitivo. El almacenamiento temporal supone, en algunos casos, el control y posterior reelaboración del combustible gastado. Si no es posible llevar a cabo la reelaboración el combustible gastado se almacena en forma definitiva.
Los residuos radiactivos se pueden clasificar según su origen, su forma (sólidos, líquidos, gaseosos), su nivel de radiactividad, por la vida media de los isótopos radiactivos que contienen (de vida larga, de vida corta), por la intensidad de las radiaciones que emiten, por su radio toxicidad, o bien por sus necesidades de almacenamiento.
El almacenamiento definitivo generalmente se aplica a aquellos residuos de alta actividad y vida larga, y se puede realizar enterrándolos a distancias relativamente cortas respecto de la superficie terrestre (menos de 20 metros). También, se pueden almacenar en formaciones geológicas de mediana o gran profundidad (decenas a centenares de metros).
Es importante señalar, que el volumen de residuos radiactivos producidos por una central nuclear dependerá de las características de orden técnico del reactor que los produce. Es así como, los reactores de investigación poseen un núcleo pequeño con alta emisión de neutrones, generando cantidades de residuos bastantes menores en comparación a los reactores de potencia.
Ubicación de los reactores nucleares en Argentina
Radioactividad natural
Es la radiactividad que existe en la naturaleza sin intervención humana, en este proceso los núcleos de ciertos elementos radiactivos pesados inestables, sufren desintegración espontánea, con formación de nuevos núcleos correspondientes a nuevos elementos y liberación de energía.
Puede provenir de dos fuentes:
1. Materiales radiactivos existentes en la Tierra desde su formación, los llamados primigenios.
2. Materiales radiactivos generados por interacción de rayos cósmicos con materiales de la Tierra que originalmente no eran radiactivos, los llamados cosmogénicos.
Aplicaciones tecnologicas de las radiaciones
Gracias al uso de reactores nucleares, es posible obtener importantes cantidades de material radiactivo a bajo costo. Es así como desde finales de los años 40, se produce una expansión en el empleo pacífico de diversos tipos de isótopos radioactivos en diversas áreas del quehacer científico y productivo del hombre.
Conservación de Alimentos.
La irradiación de los alimentos, es una tecnología de seguridad diseñada para eliminar los gérmenes, bacterias y parásitos que de otra manera provocarían enfermedades transmitidas por la comida que nosotros consumimos. Se utiliza en más de 60 países alrededor del mundo y está aprobada por muchas organizaciones de salud y grupos profesionales.
El propósito de la irradiación
• Conservación. La irradiación extiende la fecha de caducidad de un alimento al destruir o desactivar organismos en la comida que podrían provocar su deterioro y descomposición.
• Esterilización. Los alimentos irradiados se pueden almacenar durante años sin refrigeración.
• Control de plagas por insectos. Algunas veces se utiliza en lugar de químicos para prevenir las plagas por insectos. Este proceso se utiliza particularmente en productos como patatas, frutas tropicales y cítricas, granos, especias y condimentos.
• Control de enfermedades transmitidas por alimentos: La irradiación destruye efectivamente organismos como Salmonella que pueden causar enfermedades.
El proceso de irradiación
El proceso de irradiación de los alimentos supone pasar una fuente de energía iónica a través de la comida para destruir cualquier bacteria y otros organismos dañinos. Hay tres métodos de irradiación de la comida:
• Rayos gamma: Es la forma más antigua de tecnología de irradiación. Se utiliza para esterilizar productos médicos, dentales y caseros.
• Haz de electrones: Se utiliza para tratar alimentos que son de una pulgada o menos de espesor.
• Irradiación por rayos x: Es la forma más reciente de irradiación. Esencialmente es una versión más potente de los rayos x que recibiríamos en un hospital. Funciona dirigiendo un haz de electrones en una placa delgada de oro u otro metal, produciendo un flujo de rayos x al otro lado. Como la radiación gamma, los rayos x pasan a través de alimentos densos.
Medicina Nuclear.
Se ha extendido con gran rapidez el uso de radiaciones y de radioisótopos en medicina como agentes terapéuticos y de diagnóstico.
En terapia médica con las técnicas nucleares se puede combatir ciertos tipos de cáncer. Con frecuencia se utilizan tratamientos en base a irradiaciones con rayos gamma provenientes de fuentes de Cobalto-60, así como también, esferas internas radiactivas, agujas e hilos de Cobalto radiactivo. Combinando el tratamiento con una adecuada y prematura detección del cáncer, se obtienen terapias con exitosos resultados.
Radioinmunoanálisis
Se trata de un método y procedimiento de gran sensibilidad utilizado para realizar mediciones de hormonas, enzimas, virus de la hepatitis, ciertas proteínas del suero, fármacos y variadas sustancias.
El procedimiento consiste en tomar muestras de sangre del paciente, donde con posterioridad se añadirá algún radioisótopo específico, el cual permite obtener mediciones de gran precisión respecto de hormonas y otras sustancias de interés.
Radiofármacos
Se administra al paciente un cierto tipo de fármaco radiactivo que permite estudiar, mediante imágenes bidimensionales (centelleografía) o tridimensionales (tomografía), el estado de diversos órganos del cuerpo humano.
De este modo se puede examinar el funcionamiento de la tiroides, el pulmón, el hígado y el riñón, así como el volumen y circulación sanguíneos. También, se utilizan radiofármacos como el Cromo - 51 para la exploración del bazo, el Selenio - 75 para el estudio del páncreas y el Cobalto - 57 para el diagnóstico de la anemia.
Datación de fósiles
Sabiendo la diferencia entre la proporción de C14 que debería contener un fósil si aún estuviese vivo (semejante a la de la atmósfera en el momento en que murió) y la que realmente contiene, se puede conocer la fecha de su muerte de forma bastante exacta.
Para medir la cantidad de carbono 14 restantes en un fósil, los científicos incineran un fragmento pequeño para convertirlo en gas de dióxido de carbono. Se utilizan contadores de radiación para detectar los electrones emitidos por el decaimiento de carbono 14 en nitrógeno. La cantidad de carbono 14 se compara con la de carbono 12, forma estable del carbono, para determinar la cantidad de radiocarbono que se ha desintegrado y así datar el fósil.
Intercambio de energía térmica
Calor y Temperatura. Interpretación microscópica de la Temperatura. Intercambio de calor por conducción, variables involucradas. Noción de calor específico. Conservación y degradación de la energía.
Centrales energéticas.
Calor
El calor es un intercambio de energía entre dos sistemas.
Existe una forma de energía en las moléculas que depende del “grado de calor” que posean: a esa energía la llamamos Energía cinética o energía de movimiento. Cuanto más calor reciban, se van a mover a mayor velocidad, y cuanta menos energía calórica posean, tendrán menor velocidad. Al calor se lo considera como una energía en tránsito, significa que los cuerpos ceden y ganan calor pero no lo poseen. Cuando un cuerpo recibe calor, aumenta la velocidad con la que se mueven dichas moléculas y este aumento será tanto mayor cuanto mayor sea la cantidad de calor recibido o menor sea el número de moléculas que forman ese cuerpo.
Cuando se ponen en contacto dos cuerpos que se encuentran a distintas temperaturas, el calor pasa del cuerpo que posee más temperatura al cuerpo que posee menos temperatura, con independencia de la masa y del tamaño de los mismos. Así, si sumergimos en agua fría un trozo de hierro al rojo vivo, se comprobará que se produce una transmisión de calor desde el hierro hacia el agua. Esta transmisión de calor cesa cuando las temperaturas de ambos cuerpos se igualan.
Unidades de calor:
La caloría (cal), que es la cantidad de calor que debe absorber un gramo de agua para que su temperatura aumente en un grado centígrado (concretamente de 14,5ºC a 15,5ºC).
El joule es la cantidad de energía necesaria para levantar 1 kg a una altura de 10 cm en la superficie terrestre.
1 cal = 4,18 J 1 J = 0,24 cal
Temperatura
La temperatura es una medida de la energía cinética media de las moléculas que forman un cuerpo.
Escala Celcius de medición de la temperatura
El grado Celsius (símbolo ℃) es la unidad termométrica cuya intensidad calórica corresponde a la centésima parte entre el punto de fusión del agua y el punto de su ebullición en la escala que fija el valor de cero grados para el punto de fusión y el de cien grados para el punto de ebullición del agua. El grado Celsius pertenece al Sistema Internacional de Unidades.
Diferencias entre calor y temperatura
Todos sabemos que cuando calentamos un objeto su temperatura aumenta. A menudo pensamos que calor y temperatura son lo mismo. Sin embargo, esto no es así. El calor y la temperatura están relacionadas entre sí, pero son conceptos diferentes.
Como ya dijimos, el calor es la energía total del movimiento molecular en un cuerpo, mientras que la temperatura es la medida de dicha energía. El calor depende de la velocidad de las partículas, de su número, de su tamaño y de su tipo. La temperatura no depende del tamaño, ni del número ni del tipo.
Si hacemos hervir agua en los dos recipientes dibujados, la temperatura alcanzada es la misma para los dos, 100ºC, pero el que tiene más agua tiene mayor cantidad de calor.
La transmisión del calor
La experiencia demuestra que el calor producido por un foco calorífico se propaga por todo el espacio que lo rodea. Esta transmisión del calor puede producirse por conducción, por convección y por radiación.
Si colocas al fuego el extremo de una varilla metálica, al cabo de un tiempo el extremo opuesto de la misma, por donde la tienes tomada se calienta; el calor se ha propagado por conducción de un extremo a otro del cuerpo. Es decir, la conducción es la forma en la que el calor se propaga en los sólidos. La conducción del calor se produce porque las moléculas del cuerpo más próximas al foco calorífico absorben energía de éste y la transmiten a las moléculas vecinas. Estas moléculas, a su vez transmiten la energía calorífica a otras y así sucesivamente, hasta que el calor llega al otro extremo del cuerpo. Existen muchos sólidos que no conducen el calor; estos sólidos se denominan aislantes térmicos.
La convección es una forma de propagación del calor que puedes observar fácilmente. Cuando un radiador de calefacción calienta el aire que lo rodea, este aire por ser más ligero que el aire frío asciende y el hueco que deja es ocupado por el aire frío que, al calentarse, asciende también produciéndose unos movimientos de fluido denominados corrientes de convección. Estas corrientes que hacen que el calor llegue a todos los puntos de la habitación son similares a las que se producen en los líquidos que se encuentran próximos a hervir. Por tanto la convección es la forma en la que el calor se propaga en los líquidos y en los gases.
Por último la radiación es la tercera forma en la que se propaga el calor. La tierra recibe continuamente el calor producido por el Sol, calor que se propaga a través del enorme vacío existente entre estos dos astros. En este caso decimos que el calor se ha propagado por radiación. Es decir la radiación es la forma en la que el calor se propaga en el vacío. La radiación se produce porque los cuerpos calientes emiten una clase de ondas que pueden propagarse en el vacío y que al ser absorbidas por un cuerpo provocan en él un aumento de temperatura.
Efectos del calor sobre los cuerpos
Calor sensible es aquel que recibe un cuerpo o un objeto y hace que aumente su temperatura sin afectar su estructura molecular y por lo tanto su estado.
Calor latente es la energía requerida por una cantidad de sustancia para cambiar de fase, de sólido a líquido(calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización).Se debe tener en cuenta que esta energía en forma de calor se invierte para el cambio de fase y no para un aumento de la temperatura; por tanto al cambiar de gaseoso a líquido y de líquido a sólido se libera la misma cantidad de energía.
El calor específico
Cuando un cuerpo absorbe calor, se produce un aumento en su temperatura, mientras que, si lo cede, su temperatura disminuye. El aumento o disminución de temperatura sea más o menos manifiesto, depende de diversos factores, los cuales podemos analizar en las siguientes experiencias:
• Al calentar dos masas distintas de agua que inicialmente se encontraban a la misma temperatura, hasta que las dos alcanzan la misma temperatura final, se puede comprobar que la cantidad de calor que es necesario suministrar es tanto mayor cuanto mayor es la masa de agua que se está calentando.
• Al calentar dos masas igual de agua que inicialmente se encontraban a la misma temperatura, se puede comprobar que la cantidad de calor que es necesario suministrar es tanto mayor cuanto mayor es la temperatura final que alcanzan dichas masas.
• Al calentar dos masas iguales de sustancias diferentes que inicialmente se encontraban a la misma temperatura, se puede comprobar que el aumento de temperatura que se consigue es distinto para cada una de ambas sustancias, de tal manera que la cantidad de calor que es necesario suministrar a cada una de ellas para conseguir que aumente su temperatura en un cierto número de grados depende de la naturaleza de la sustancia.
Calores específicos
de algunas sustancias
Sustancia Cal/g.ºC
Agua 1
Aceite 0,47
Acero 0,115
Aire 0,24
Alcohol 0,66
Aluminio 0,22
Amoníaco 1,001
Cinc 0,094
Cobre 0.09
Hielo 0,53
Hierro 0,12
Latón 0,094
Mercurio 0,03
Oro 0,03
Petróleo 0,50
Plata 0,06
Platino 0,03
Plomo 0,03
Vidrio 0,20
Debido a este último punto se introduce el concepto de calor específico:
El calor específico de un cuerpo es la cantidad de calor que debe absorber un gramo de una sustancia para que su temperatura aumente en un grado centígrado.
De esto se deduce que: Cuanto mayor sea el calor específico de un cuerpo, mayor será la cantidad de calor que deberá absorber para aumentar su temperatura y de la misma forma, mayor será también la cantidad de calor que desprenda al disminuir su temperatura.
El calor específico se mide en JOULE por kilogramos y por Kelvin (J/kg.K) o en calorías por gramo y por grado centígrado (cal/g.ºC).
El cálculo del calor
Un cuerpo puede aumentar su temperatura mediante el calor absorbido (Qabs) para que esto ocurra depende de tres factores: de la masa (m) de dicho cuerpo, (vimos que a mayor masa correspondía mayor cantidad de calor y al revés cuando la masa era menor), de su calor específico (Ce) y de la diferencia entre las temperaturas inicial (ti) y final (tf).
Estos factores se expresan mediante esta ecuación:
Qabs = m.Ce. (tf-ti) CALOR ABSORBIDO
Si el cuerpo que estamos considerando desprendiera calor en vez de absorberlo, su temperatura descendería, en este caso hablamos de calor desprendido (Qdesp). Empleamos una ecuación similar a la anterior pero se invierte el orden de las temperaturas, ya que la temperatura inicial es mayor que la temperatura final para no obtener una variación de temperatura negativa.
Qdesp = m.Ce. (ti-tf) CALOR DESPRENDIDO
La capacidad calorífica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta.
Es una propiedad extensiva, ya que su magnitud depende, no solo de la sustancia, sino también de la cantidad de materia del cuerpo; por ello, es característico de un cuerpo. Por ejemplo, la capacidad calorífica del agua de una piscina olímpica será mayor que la de un vaso de agua. En general, la capacidad calorífica depende además de la temperatura y de la presión.
La conductividad térmica es la capacidad de conducción del calor de los materiales. En otras palabras la conductividad térmica es también la capacidad de una sustancia de transferir la energía cinética de sus moléculas a otras moléculas adyacentes o a substancias con las que no está en contacto. En el Sistema Internacional de Unidades la conductividad térmica se mide en W/(K•m) ( equivalente a J/(s•°C•m) )
Tabla de valores de conductividad
térmica
Sólidos unidad cal/cm.seg.°C
Acero 0,12
Aluminio 0,49
Cobre 0,92
Hierro 0,20
Latón 0,26
Mercurio 0,02
Plata 0,97
Plomo 0,083
Amianto 0,0001
Corcho 0,0001
Hielo 0,004
Hormigón 0,002
Ladrillo aislante 0,00035
Ladrillo común 0,0015
Madera 0,0003
Vidrio 0,002
Los efectos del calor
EL CALOR DILATA LOS CUERPOS
Quizás te haya llamado la atención el hecho de que los rieles que forman la red de ferrocarriles no se encuentran soldados cada uno con el siguiente, sino que entre ellos existe un hueco de algunos centímetros de longitud. Esto se debe a que uno de los efectos que el calor produce sobre los cuerpos es el dilatarlos. Porque la energía que absorbe hace que el movimiento de sus moléculas sea más rápido y que éstas ocupen un espacio mayor.
Por lo tanto cuando en verano los rieles absorben el calor del sol, la longitud de los mismos aumenta y si estuvieran soldados unos con otros, no tendrían espacio para dilatarse y las vías se deformarían con el consiguiente peligro de accidentes. Este fenómeno por el cual los cuerpos aumentan de tamaño al absorber calor se denomina dilatación térmica.
Dilatación en los líquidos
Al someter a la acción del calor un recipiente completamente lleno de agua, al cabo de un cierto tiempo se observa que el líquido se derrama. Esto indica que el volumen del líquido ha aumentado, es decir, hubo una dilatación del líquido.
En general los líquidos se dilatan unas cien veces más que los sólidos.
Dilatación de los gases
Si se calienta un gas que puede expandirse libremente, su volumen se incrementa en forma directamente proporcional al aumento de la temperatura; si el gas está en un recipiente cerrado herméticamente, se produce en este caso un aumento de presión. Experimentalmente se ha comprobado que los gases se dilatan en mayor proporción que los líquidos y los sólidos.
Por este motivo las estufas se colocan cerca del piso, porque el aire calentado es menos denso que el aire frío y por tal motivo asciende a las capas superiores.
Dilatación de los sólidos
Cuando se calienta un cuerpo sólido se incrementan todas sus dimensiones: longitud, superficie y volumen.
Debido a esto se producen tres tipos de dilatación en los sólidos:
Dilatación superficial: En aquellos cuerpos planos o en forma de láminas donde hay dos dimensiones, largo y ancho, por sobre el espesor; por ej. Una chapa de hierro. Aumenta por efecto del calor la superficie, dependiendo del material que forme el cuerpo plano la dilatación producida.
Dilatación cúbica: En los cuerpos sólidos donde las tres dimensiones se ubican en el espacio, por efecto del calor la dilatación se produce aumentando su volumen; por ej. Una esfera o un cubo, nuevamente el coeficiente de dilatación estará dado por el material que constituye el cuerpo.
Dilatación lineal: Cuando exponemos a los efectos del calor un cuerpo sólido donde predomina la longitud sobre las otras dimensiones, por ej. Una varilla de hierro, una viga o un riel, notamos que la dilatación se nota principalmente por el incremento de la longitud.
Vamos a estudiar como calcular la variación de la longitud dilatada mediante la siguiente ecuación:
Δl =li.λ. (tf-ti)
En esta ecuación:
Δl es la longitud de la dilatación y li es la longitud inicial de la varilla
tf y ti son las temperaturas final e inicial
λ es una constante denominada coeficiente de dilatación lineal cuyo valor depende del material que estemos considerando (no es igual por ejemplo para el hierro que para el cobre) y se mide en grados centígrados inversos (1/ºC).
Los efectos de la dilatación
La formación de grietas en techos y azoteas es causada, con frecuencia, por el movimiento de los materiales que los forman, los cuales se dilatan y contraen como consecuencia de los cambios de temperatura.
En los pavimentos de hormigón se dejan, de trecho en trecho, juntas de alquitrán para evitar los efectos de la dilatación en verano y de la contracción en invierno.
Entre los rieles de las vías férreas se deja un pequeño espacio para evitar que el aumento de temperatura los deforme.
En las ollas a presión, al aumentar la temperatura se incrementa la presión en su interior, lo cual acelera el proceso de cocción de los alimentos.
Las chapas de hierro se retuercen cuando se las somete al calor.
Las piedras grandes de las montañas se dilatan por el frío de la noche, por lo cual se suelen fragmentar en trozos más pequeños.
Los recipientes de vidrio se dilatan al calentarse y se quiebran al contraerse por enfriamiento rápido.
La dilatación de ciertos líquidos (mercurio, alcohol) se utiliza para construir termómetros.
Coeficiente de dilatación
lineal de diferentes metales
Metal 1/ºC
Acero 0,000011
Cobre 0,0000117
Bronce 0,0000469
Plata 0,0000199
Latón 0,000187
Hierro 0.00012
Cinc 0,000063
Contaminación Térmica del Agua
Contaminación es una alteración del estado natural de un medio debida a la introducción de un agente nocivo y ajeno al medio. “Es siempre una alteración negativa del estado natural del medio, y por lo general, se genera como consecuencia de la actividad humana.”
Se entiende por térmico algo relacionado al calor o la temperatura.
Entonces, podemos deducir que la contaminación térmica es el deterioro de un medio por cambios en la temperatura, ya sea por el incremento o el descenso de la misma. Para efectos de este artículo, el medio referido es el agua.
La contaminación térmica se da por la introducción de energía en forma de calor, proveniente de diversos procesos como ser descarga de aguas servidas, aguas industriales, eliminación de plantas y árboles de las orillas de cuerpos de agua, entre otros.
En la norma técnica de descargas de aguas residuales a cuerpos receptores y alcantarillado sanitario se establece que uno de los parámetros que se debe analizar es la temperatura de dichas aguas.
Muchas fábricas y, de manera especial, las plantas generadoras de energía producen calor en exceso. Razón por la cual requieren procesos de enfriamiento, en los que utilizan grandes cantidades de agua. El agua caliente, resultado del proceso de enfriamiento, la liberan sobre ecosistemas acuáticos a una temperatura que puede estar entre 9ºC y 20ºC sobre la temperatura original, provocando así la contaminación térmica de estos ecosistemas.
Cabe mencionar que este tipo de centrales generadoras de energía se ubican en lugares costeros o cercanos a lagos o grandes ríos.
En plantas nucleares se encuentran las llamadas vasijas que son plantas de refrigeración.
Los cambios de temperatura en el agua pueden afectar los procesos vitales que implican reacciones químicas y la velocidad de éstas. Un aumento de diez grados centígrados puede doblar la velocidad de una reacción.
Los organismos acuáticos de sangre fría, como los peces y anfibios, no pueden regular la temperatura de sus cuerpos de modo tan eficiente como los animales de sangre caliente.
Se dice que alterar uno o dos grados la temperatura de un ecosistema vulnerable puede hacer tanto daño como el vertido de un residuo tóxico.
El agua es el recurso más importante que tenemos, es el oro transparente, es esencial para la vida, es lo que más debería preocuparnos cuidar. Todas las consecuencias del cambio de temperatura ambiental del agua en el planeta, son consecuencias que afectan o afectarán directamente al ser humano.
Actividades de fijación de conceptos
Cálculo del calor:
1) ¿Qué cantidad de calor será necesaria para hervir 100 gr. de agua desde 5ºC?
2) A 4 litros de aceite que estaban a 35°C se le suministró calor hasta aumentar su temperatura a 70°C ¿Cuántas calorías se le suministraron?
3) ¿Qué cantidad de calor se necesita para llevar a 100°C, 2 Kgr. de cobre que están a una temperatura de 81ºC?
4) Hallar la cantidad de calor necesaria para calentar, desde 45ºC hasta 76°C a) 2 litros de agua b) 5 Kg de aluminio c) 2 Kg de plomo.
5) ¿Qué cantidad de calor se pierde al llevar 6 Kgr. de plomo desde una temperatura de 39°C a 49°C?
6) Hallar la cantidad de calor necesaria para calentar, desde 15ºC hasta 65ºC a) 1 litro de agua b) 5 gramos de vidrio c) 20 gramos de platino.
7) Calcular el número de calorías que se deben extraer para enfriar desde 85ºC hasta 15ºC a) l/2 Kg. de hierro b) 3/4 Kg. de oro c) 1/4 Kg. de plomo.
8) A 5 litros de alcohol que estaban a 15ºC se le suministra calor hasta aumentar su temperatura a 80°C ¿Cuántas calorías se le suministraron?
9) ¿Qué cantidad de calor es necesaria para llevar medio litro de petróleo de 20ºC a 100ºC ?
10) ¿Qué cantidad de calor se perderán al congelar 100 gr. de agua que están a 15ºC?
11) Al congelarse una masa de agua que estaba a 25ºC se desprendió 2 Kcal. Indique la masa de agua en gramos que se congelaron.
12) Para hacer hervir 300 gr. de agua ha sido necesario suministrar 25,5 Kcal. ¿Cuál era la temperatura inicial del agua?
13) Una masa de hierro se calienta desde 50ºC a 120ºC, suministrándole 770 cal ¿Cuál es la masa?
14) ¿Cuál será la temperatura final de ¾ litros de alcohol que estaban a 100ºC y perdió 57 Kcal?
15) Si con 72 kcal el agua pasó de hervir a congelarse ¿Cuántos litros eran?
16) Si ½ kilo de plata pasó a tener 53ºC luego de perder 51 Kcal. ¿Cuál era su temperatura inicial?
17) Calcular el calor específico de un cuerpo cuya masa es de 100 Kg., al cual se le entregó 770 Kcal. originando una variación de temperatura de 70ºC.
18) La combustión de 5 g de coque eleva la temperatura de 1 litro de agua desde 10ºC hasta 47ºC. Hallar el calor específico del coque.
19) ¿Cuál es el calor específico del agua salada, si para elevar en 1°C la temperatura de 1 gramo se necesitan 4 joules?
20) 500 gramos de platino se enfrían hasta 50ºC, desprendiendo 2090 Joules ¿A qué temperatura estaba el platino?
Dilatación lineal:
1) ¿Cuál es la temperatura inicial de una columna de bronce de 3558965 mm de longitud que a 29° C se dilató 0,093 m?
2) ¿Cuál es el coeficiente de dilatación lineal de una varilla de 3675 mm de longitud, que se dilata 0,031 m al pasar de 5°C a 37°C?
3) ¿Cuál es la variación de longitud de un hilo de cobre que estaba a 2°C y se calentó hasta 28°C, si medía originalmente 645423 mm?
4) ¿Cuál es la temperatura final a la que se sometió una viga de hierro de 6888346,8 cm de longitud que se dilató 4930 cm, si estaba a 2°C?
5) ¿Cuál es la longitud inicial en metros de un puente de acero que se dilató 763 cm si en el lugar la temperatura oscila entre 7°C y 55°C?
6) Un ingeniero realiza el proyecto de construcción de un puente de hierro de 30 m de longitud. Si las diferencias de temperaturas entre el verano y el invierno en el lugar donde va a instalarse el puente es de 45°C, calcula la longitud que hay que dejar libre para que el puente pueda dilatarse sin deformarse.
7) Si tengo 9 km de vías de acero, unidas en tramos de 15 m cada una, ¿Cuánta distancia debo dejar entre cada tramo para que las vías no se levanten al dilatarse?, si sé que en el lugar la temperatura oscila entre -10°C y 45°C.
8) Si uso vigas de hierro para construir un edificio en una zona del desierto cuya temperatura cambia de 5°C a la noche hasta 42°C durante el día, cada viga mide 2 m, y tengo un edificio de 15 pisos, de 3 metros de altura en cada piso, y 2 subsuelos. ¿Cuánta distancia debo dejar entre vigas para que no se deformen al dilatarse? ¿Cuántos metros de viga voy a emplear y cuanta distancia suma en total lo dilatado?
Intercambio de energía por radiación
Emisión, absorción y reflexión de radiación. Espectro electromagnético. Relación entre temperatura y radiación emitida. La energía del Sol y su influencia sobre la Tierra. El efecto Invernadero. La radiación solar: usos y aplicaciones.
Radiación térmica
La radiación es el transporte del calor en presencia de materia o en el vacío. Es una onda electromagnética térmica; su emisión tiene lugar en todas direcciones y al incidir en un cuerpo puede reflejarla, absorberla o trasmitirla. Se denomina radiación térmica a la que resulta exclusivamente de la temperatura.
Absorción, reflexión y transmisión
Ondas
Un espectro electromagnético es la radiación electromagnética que emite (espectro de emisión) o absorbe (espectro de absorción) una sustancia. Dicha radiación sirve para identificar la sustancia de manera análoga a una huella dactilar. Los espectros se pueden observar mediante espectroscopios que, además de permitir observar el espectro, permiten realizar medidas sobre el mismo, como son la longitud de onda, la frecuencia y la intensidad de la radiación.
Energía solar
La energía solar es la energía obtenida a partir del aprovechamiento de la radiación electromagnética procedente del Sol.
La radiación solar que alcanza la Tierra ha sido aprovechada por el ser humano desde la Antigüedad, mediante diferentes tecnologías que han ido evolucionando con el tiempo desde su concepción. En la actualidad, el calor y la luz del Sol puede aprovecharse por medio de captadores como células fotovoltaicas, helióstatos o colectores térmicos, que pueden transformarla en energía eléctrica o térmica. Es una de las llamadas energías renovables o energías limpias.
El efecto invernadero
En un invernadero la temperatura interior es más alta que en el exterior porque entra más energía de la que sale, por la misma estructura del habitáculo, sin necesidad de que empleemos calefacción para calentarlo.
En el ecosistema de la Tierra se produce un efecto natural similar debido a la retención del calor por algunos gases atmosféricos. La temperatura media en la Tierra es de unos 15ºC y si la atmósfera no existiera sería de unos -18ºC. Se le llama efecto invernadero por similitud, porque en realidad la acción física por la que se produce es totalmente distinta a la que sucede en el invernadero de plantas.
El efecto invernadero hace que la temperatura media de la superficie de la Tierra sea 33ºC mayor que la que tendría si no existieran gases con efecto invernadero en la atmósfera.
¿Por qué se produce el efecto invernadero?
El efecto invernadero se origina porque la energía que llega del sol, al proceder de un cuerpo de muy elevada temperatura, está formada por ondas de frecuencias altas que traspasan la atmósfera con gran facilidad. La energía remitida hacia el exterior, desde la Tierra, al proceder de un cuerpo mucho más frío, está en forma de ondas de frecuencias más bajas, y es absorbida por los gases con efecto invernadero. Esta retención de la energía hace que la temperatura sea más alta, aunque hay que entender bien que, al final, en condiciones normales, es igual la cantidad de energía que llega a la Tierra que la que esta emite. Si no fuera así, la temperatura de nuestro planeta habría ido aumentando continuamente, cosa que, por fortuna, no ha sucedido.
Este efecto invernadero lo que hace es provocar que le energía que llega a la Tierra sea "devuelta" más lentamente, por lo que es "mantenida" más tiempo junto a la superficie y así se mantiene la elevación de temperatura.
Los gases con efecto invernadero producen en un gramo de CFC un “efecto invernadero” 15 000 veces mayor que un gramo de CO2, pero como la cantidad de CO2 es mucho mayor que la del resto de los gases, por lo que su influencia también es mayor
Otros gases como el oxígeno y el nitrógeno, aunque se encuentran en proporciones mucho mayores, no son capaces de generar efecto invernadero.
En el último siglo la concentración de anhídrido carbónico y otros gases invernadero en la atmósfera ha ido creciendo constantemente debido a la actividad humana:
A comienzos de siglo por la quema de grandes masas de vegetación para ampliar las tierras de cultivo.
En los últimos decenios, por el uso masivo de combustibles fósiles como el petróleo, carbón y gas natural, para obtener energía y por los procesos industriales.
Estudios recientes sugieren que el calentamiento se produciría más rápidamente sobre tierra firme que sobre los mares. Asimismo el calentamiento se produciría con retraso respecto al incremento en la concentración de los gases con efecto invernadero. Al principio los océanos más fríos tenderán a absorber una gran parte del calor adicional retrasando el calentamiento de la atmósfera. Sólo cuando los océanos lleguen a un nivel de equilibrio con los más altos niveles de CO2 se producirá el calentamiento final.
Fisicoquímica de Secundaria para 2do año Argentina
La naturaleza corpuscular de la materia
Estados de la materia
Estados de la materia. Organización de los tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Cambios de Estado. Fusión, solidificación, sublimación, volatilización, licuación, vaporización. El estado gaseoso. Caracterización del estado. Modelo cinético-molecular. Las variables que afectan el estudio del estado gaseoso: volumen, presión, temperatura y masa. Escala Kelvin. Las leyes experimentales sobre el estado gaseoso: Boyle-Mariotte, Charles y Gay-Lussac. Ecuación de estado para el gas ideal.
Estados de la materia
Materia: es todo aquello que posee un volumen, o sea ocupa un lugar en el espacio, tiene masa propia y puede ser captado por nuestros sentidos.
Características de la materia
Volumen: es el espacio que ocupa una determinada porción de materia.
Se mide en: 1 m3 = 1 kl, 1 dm3 = 1 litro; 1 cm3 = 1 ml
Masa: es la cantidad de materia que posee un cuerpo.
Se mide en: 1 kilogramo = 1000 gramos
Propiedades de la materia
Es una cualidad de la materia que puede ser apreciada por los sentidos.
Se clasifican en dos grandes grupos:
Propiedades Intensivas: Son las que no dependen de la cantidad de materia, pero sí de la calidad. Por lo tanto no dependen de la masa.
Ej: densidad; punto de fusión o de ebullición; Si tenemos un litro de agua, o 5 litros de agua, ambas masas van a hervir a 100°C no importando la cantidad de agua que exista.
Propiedades Extensivas: Son aquellas que dependen de la cantidad de materia. Por lo tanto dependen de la masa.
Ej: masa, volumen, dureza; Si tenemos 1 kg, o 300 gramos el volumen que ocupen va a ser mayor en 1 kg que en 300 gramos. En este caso sí importa la cantidad que exista.
Estados de agregación
Las tres formas en las que puede presentarse la materia en la naturaleza:
Sólido: Mantienen naturalmente su forma y su volumen. En este estado predominan las fuerzas de atracción.
Sus propiedades son:
Tener forma propia
Sus moléculas se hallan en un estado de ordenación regular.
Internamente se ordenan formando redes cristalinas.
Entre sus moléculas predomina la fuerza de atracción.
Son poco comprensibles, o sea que el volumen del sólido cambia poco con la presión ejercida.
Líquido: No mantienen una forma determinada porque dependen del recipiente que los contiene, pero el volumen que ocupan no se modifica. En este estado las fuerzas de atracción y las de repulsión se equilibran.
Sus propiedades son:
Son incomprensibles, por aplicarles presión no se deforman o comprimen.
Su volumen se mantiene constante.
No poseen forma propia.
Tienen tensión superficial
Son viscosos en algunos, por ejemplo el aceite.
Naturalmente fluyen, ya que sus moléculas se ordenan en láminas o planos.
Gaseoso: No poseen forma ni volumen determinados, dependiendo del contenedor. En este estado predominan las fuerzas de repulsión.
Sus propiedades son:
Sus moléculas tienen mucha movilidad y lo hacen en espacios muy grandes con respecto a su propio volumen
Poseen fuerza expansiva o de repulsión.
No tienen forma propia
No tienen volumen propio.
Son comprensibles
Al ser fluido, los gases se mezclan unos con otros fácilmente
Una de las pocas sustancias que pueden encontrarse en los tres estados de agregación en forma natural es el agua.
Líquida: en mares, ríos, arroyos, lagunas, lagos, napas subterráneas, lluvia etc.
Sólida: en la nieve, hielo, glaciares, granizo, etc.
Gaseosa: en el vapor de agua en la atmosfera.
Cambios de estado
Todo tipo de material que se encuentra en alguno de los tres estados de la materia puede pasar a otro estado de agregación.
Si una sustancia está en estado sólido y aumentamos su temperatura, las moléculas que forman la materia, y aumenta su velocidad, en tanto que las fuerzas de atracción disminuyen y las de repulsión aumentan hasta que llegan a una situación de equilibrio y pasan al estado líquido.
Si se continúa aumentando la temperatura, también continuaran incrementándose la movilidad y las fuerzas de repulsión, hasta llegar al estado gaseoso.
Algunas sustancias como el alcanfor y la naftalina, pueden pasar directamente del estado sólido al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido.
Al ser enfriadas, también pueden retornar del estado gaseoso al sólido en forma directa.
Características del estado gaseoso
En el estado gaseoso podemos encontrar el gas y el vapor.
Vapor: es el estado gaseoso que se produce por agregar calor o disminuir la presión. Es aplicable esto a sustancias que naturalmente no se encuentran en estado gaseoso. Sucede esto al hervir agua, pasa del estado líquido a vapor.
Gas: Es aplicable a las sustancias que se encuentran en estado gaseoso en la naturaleza, o en condiciones normales de presión y temperatura (CNPT). Es el caso del oxígeno que esta gaseoso en el medio ambiente a presión y temperatura normales.
Cuando vemos un encendedor notamos que tiene un líquido transparente dentro de él, pero cuando apretamos la válvula se convierte en gas que junto con la chispa produce fuego. Para llevar el gas butano al estado líquido ha sido necesario someterlo a muy alta presión, aquí nos aparece la primera variable a considerar en los gases.
El nitrógeno se encuentra en el aire que respiramos, estando a temperatura ambiente en forma gaseosa, pero si enfriamos el nitrógeno hasta los 196°C bajo cero, entonces éste gas se vuelve líquido. En este caso lo que hemos variado ha sido la temperatura del mismo, dándonos la segunda variable a considerar.
Si recordamos las propiedades de los gases con respecto al volumen vimos que NO tienen volumen propio sino que ocupa el volumen del recipiente que los contiene, por tanto en la variable volumen vamos a considerar el volumen del recipiente en el cual se encuentra envasado.
Cuando consideramos el número de partículas o sea la cantidad de materia concreta presentes en un gas, estamos hablando de la última variable a considerar la masa.
Modelo Cinético-molecular
Los gases están formados por partículas diminutas, tan alejadas entre sí, en término medio, que el volumen de estas partículas es despreciable con respecto al espacio vacío entre ellas.
No existen fuerzas de interacciones entre las partículas
Las partículas se mueven continuamente al azar y en línea recata, chocando entre sí y contra las paredes del recipiente que las contiene. Los choques son elásticos.
En una masa gaseosa, en un instante dado, las partículas poseen diferentes velocidades y, en consecuencia, distintas energías cinéticas. La energía cinética media aumenta al aumentar la temperatura. A igual temperatura, la energía cinética media de las partículas de cualquier gas tiene un determinado valor.
Ley de Boyle-Mariotte: Si a temperatura constante reducimos el volumen de una masa gaseosa, las partículas poseen menor espacio donde moverse y entonces chocan más frecuentemente contra las paredes del recipiente, por lo que la presión observada será mayor.
Ley de Charles y Gay-Lussac: Al aumentar la temperatura de una masa gaseosa a un volumen constante, las partículas se mueven con mayor energía chocando más frecuente y violentamente contra las paredes del recipiente, originando mayor presión.
Ecuaciones para el gas ideal
De las dos leyes anteriores se deduce esta ecuación:
(Presion .volumen)/Temperatura=constante
Aplicaciones de la ley de Boyle- Mariotte
Cuando tenemos 2 recipientes que contienen gas y la temperatura se mantiene constante, en ambos existe presión y volumen variables, determinado por el gas que hay dentro de cada envase. Entonces en recipiente 1 tenemos una presión 1 y un volumen 1, y en el recipiente 2 es la presión 2 y el volumen 2, como vemos en la figura de abajo.
La ley de Boyle-Mariotte nos dice que el producto entre la presión y el volumen del recipiente 1 es igual al producto de la presión y el volumen del recipiente 2.
En símbolos podemos escribirlo asi: P1 . V1 = P2 . V2
Esta ecuación es posible escribirla también de la siguiente forma:
P_1/P_2 =V_2/V_1
A temperatura constante los volúmenes de una masa gaseosa son inversamente proporcionales a las presiones que soportan.
Las llamadas CNPT (CONDICIONES NORMALES DE PRESION Y TEMPERATURA), se producen cuando un gas se encuentra a 0°C (273 K) de temperatura, con una presión de 1 atm (una atmosfera), estas medidas se establecen como parámetros cuando se encuentran las siglas CNPT.
Para pasar de °C a K simplemente sumar 273 a los grados Celsius y queda en grados Kelvin
Ejemplo:
En un recipiente con un volumen de 16 dm3 de gas en CNPT. Se reduce su volumen a 8 dm3. Calcular la presión a la se encuentra el gas con el volumen reducido.
Aplicaciones de la ley de Gay-Lussac
Cuando tenemos 2 recipientes que contienen gas y la presión se mantiene constante, en ambos existe temperatura y volumen variables, determinado por el gas que hay dentro de cada envase. Entonces en recipiente 1 tenemos una temperatura 1 y un volumen 1, y en el recipiente 2 es la temperatura 2 y el volumen 2.
La ley de Gay-Lussac nos dice que el cociente entre el volumen de ambos recipientes es igual al cociente entre la temperatura de ambos recipientes.
En símbolos matemáticos sería:
V_1/V_2 =T_1/T_2
A presión constante, la variación de volumen de una masa gaseosa es directamente proporcional a la variación de temperatura.
Las temperaturas se deben expresar en grados Kelvin lo cual se obtiene sumando 273 al valor dado en grados centígrados o Celsius.
Un gas puede dilatarse por tres razones:
Al aumentar la temperatura
Al bajar la presión
Con ambas variables combinadas
Esta dilatación nos permite obtener diferentes fórmulas que se aplican según qué variable se ha modificado:
1° Variamos la temperatura y tenemos un volumen determinado, entonces usamos:
V1 . T2 = T1 .V2
Ejemplo 1:
Se envasan 500 cm3 de un gas en CNPT. Calcule su volumen si se lo calienta a 50°C.
2° Variamos la presión o la temperatura, usamos:
P_1/P_2 =T_1/T_2
Ejemplo 2:
Un gas se encuentra a una presión de 10 atm con una temperatura de 20°C. Si aumentamos la temperatura a 45°C ¿Cuál es la nueva presión del gas?
3° Podemos variar o la temperatura, o la presión o el volumen, en este caso usamos:
(V_1 〖.P〗_1)/T_1 =〖V_(2.) P〗_2/T_2
Ejemplo 3
En un cilindro se halla un volumen de 100 dm3 de gas con una presión de 20 atm y con una temperatura de 75°C. Al aumentar la temperatura a 85°C, pasan a ocupar un volumen de 200 dm3. Calcular la presión que ejercerá en estas nuevas condiciones.
Actividades de fijación de conceptos
Completar con las palabras correspondientes (Escribe en imprenta)
1) El cambio de estado de sólido a liquido se llama_________________
2) El pasaje de un estado a otro en un sistema material se produce por_____________________
3) El proceso por el cual se licuan las sustancias que naturalmente se encuentran en estado gaseoso se denomina_________________________________________________
4) El pasaje del estado líquido al sólido recibe el nombre de_______________________________
5) Las bolitas de naftalina se _____________________ al estar encerradas en un ropero a temperatura ambiente.
6) Las propiedades de los gases son_____________________________________________(indicar por lo menos tres propiedades)
7) Las fuerzas de atracción y las de repulsión se encuentra equilibradas en los_________________
8) El cambio de estado por el cual una sustancia pasa de vapor a líquido se llama______________
9) Se denomina ___________________al estado que se produce al entregar calor a sustancias que naturalmente no se encuentran en estado gaseoso.
10) Predominan las fuerzas de atracción en el estado________________________
11) El pasaje de estado de gas a líquido se denomina______________________________
12) El proceso de ebullición en el agua ocurre a los ______________°C
13) Si a un sistema material le entrego energía en forma de calor, aumenta la energía__________
14) Las propiedades de los sólidos son________________________________________(nombra al menos tres propiedades).
15) Las propiedades de los líquidos son _______________________________________(indicar al menos tres propiedades)
16) La temperatura a la cual se solidifica el agua es ____________°C
17) El pasaje del estado de vapor a líquido se denomina______________________________
18) Predominan las fuerzas de repulsión en el estado________________________________
19) Cuando el vapor pasa al estado sólido sin pasar por el líquido se denomina________________
20) Al proceso por el cual una sustancia esta naturalmente en estado gaseoso lo llamamos ___________________
21) Decimos que los cuerpos están constituidos por ______________________________
22) Escribir los tres estados de agregación en que se encuentra la materia _________________ y _______________ y____________________
23) El pasaje de estado líquido a vapor se denomina_____________________________________
24) Un sistema material puede producir el pasaje de un estado a otro por____________________
25) El pasaje de una sustancia del estado sólido al estado gaseoso, sin pasar por el líquido es la_____________________
26) Explica en qué consiste el cuarto estado de agregación de la materia__________________________
Resuelve los siguientes problemas con el empleo de las fórmulas estudiadas
27) Se tiene un volumen de 600 cm3 de un gas en CNPT. Calcule su volumen si se lo calienta a 77°C y presión constante. Rta: 769 cm3
28) Un recipiente de 5,4 litros de capacidad está ocupado por una cierta cantidad de gas, a una presión de 2 atmosferas y temperatura normal. Calcular la presión que ejercerá el gas en dicho recinto, si se lo enfría a -17°C.
Rta: 1,87 atm
29) Hay encerrados en una jeringa de 8 cm3 de gas en CNPT. Aplicando una fuerza sobre el émbolo se reduce el volumen a 2 cm3. Calcular la presión a que está sometido el gas Rta: 4 atm
30) Un gas se halla sometido a 2 atm de presión en un recipiente de 2 dm3 de volumen, si se perfora el recipiente. ¿Qué volumen de gas sale al exterior?
Rta: 4 dm3
31) Una determinada cantidad de gas, que ocupaba un volumen de 0,5 dm3 de capacidad a la presión de 0,8 atm y temperatura normal, pasa a ocupar un volumen de 4,5 dm3 a 27°C. Calcular la presión que ejerce en estas condiciones.
Rta: 0,098 atm
32) Un tubito contiene un volumen de 6 cm3 de aire a presión normal, se aplica una presión de 2 atm ¿Cuál es el nuevo volumen del gas?
Rta: 3 cm3
33) ¿Qué volumen ocupará el gas contenido en un recipiente de 3,8 dm3 sometido a una presión de 12 atm, cuando pasa a una presión normal?
Rta: 45,6 dm3
34) Tenemos un volumen de 1,54 dm3 de un gas, con una presión de 3 atm. Calcular su volumen en CNPT.
Rta: 4,62 dm3
35) Se sabe que un gas ocupa un volumen de 2 dm3 a 20°C de temperatura y con una presión de 0,5 atm. ¿Cuál es su volumen en CNPT?
Rta: 0,93 dm3
36) Un cilindro contiene gas a una presión de 0,75 atm y con una temperatura de 10°C. Se coloca al sol, por lo que la temperatura del gas se eleva a 28°C. ¿Cuál es la nueva presión a la que llega el gas dentro del recipiente?
Rta: 0,8 atm
Guía de estudio sobre estados de la materia
37) ¿Cómo están constituidos los cuerpos?
38) ¿Qué es una propiedad intensiva? Ejemplifique
39) ¿Qué es una propiedad extensiva? Ejemplifique
40) Indicar los tres estados de agregación de la materia.
41) ¿En qué estado hay más fuerzas de atracción que de repulsión?
42) ¿En qué estado hay más fuerzas de repulsión que de atracción?
43) ¿En qué estado las fuerzas de repulsión y de atracción se encuentran en equilibrio?
44) Describir brevemente las propiedades de los sólidos.
45) Describir brevemente las propiedades de los líquidos.
46) Describir brevemente las propiedades de los gases.
47) Diferencia entre vapor y gas. Ejemplifica cada caso.
48) ¿Qué puede producir el pasaje de un estado a otro en un sistema material?
49) Nombra el pasaje del estado gaseoso a líquido y viceversa.
50) Nombra el pasaje del estado líquido a sólido y viceversa.
51) Nombra el pasaje del estado sólido a gaseoso y viceversa.
52) Explica en qué consiste la fusión.
53) Establece la diferencia entre vaporización y ebullición. Ejemplifica cada uno.
54) ¿Qué proceso produce que se licuen las sustancias que naturalmente se encuentran en estado gaseoso?
55) Desarrolla el proceso que ocurre con las bolitas de naftalina en un ropero y nombra el pasaje que se produce.
56) Escribe las temperaturas a las que el agua pasa al estado sólido y la temperatura de ebullición del agua indicando en qué estado se encuentra y a que estado llega.
Resolver los siguientes problemas aplicando las dos leyes sobre gases estudiadas
57) Una indeterminada cantidad de gas, que ocupaba un volumen de 0,9 dm3 de capacidad a la presión de 0,5 atm y temperatura normal, pasa a ocupar un volumen de 3,5 dm3 a 37°C. Calcular la presión que ejerce en estas condiciones.
58) Un frasquito contiene un volumen de 7 cm3 de aire a presión normal, se aplica una presión de 3 atm ¿Cuál es el nuevo volumen del gas?
59) ¿Qué volumen ocupará el gas contenido en un contenedor de 6,5 dm3 sometido a una presión de 15 atm, cuando pasa a una presión normal?
60) Tenemos un volumen de 1,76 dm3 de un gas, con una presión de 9 atm. Calcular su volumen en CNPT.
61) Se sabe que un gas ocupa un volumen de 32 dm3 a 40°C de temperatura y con una presión de 0,7 atm. ¿Cuál es su volumen en CNPT?
62) Un tubo contiene gas a una presión de 0,97 atm y con una temperatura de 30°C. Se coloca al sol, por lo que la temperatura del gas se eleva a 38°C. ¿Cuál es la nueva presión a la que llega el gas dentro del recipiente?
63) Se tiene un volumen de 900 cm3 de un gas en CNPT. Calcule su volumen si se lo calienta a 97°C y presión constante.
64) Un contenedor de 3,2 litros de capacidad está ocupado por una cierta cantidad de gas, a una presión de 6 atmosferas y temperatura normal. Calcular la presión que ejercerá el gas en dicho recinto, si se lo enfría a -27°C.
65) Un pistón de 18 cm3 de gas en CNPT. Aplicando una fuerza sobre el émbolo se reduce el volumen a 12 cm3. Calcular la presión a que está sometido el gas
66) Un gas se halla sometido a 5 atm de presión en un contenedor de 4 dm3 de volumen, si se perfora el contenedor. ¿Qué volumen de gas sale al exterior?
Investigación en grupos
Escala Kelvin
Estado de agregación Plasma y sus usos
Funcionamiento de la olla a presión
Métodos de licuefacción de gases
Explosiones volcánicas recientes que gases se expelieron
Soluciones
Sistemas homogéneos: soluciones y sustancias. Soluto y solvente. Soluciones de líquido en líquido, sólido en líquido, gas en gas, gas en líquido, sólido en sólido. Mezclas gaseosas y aleaciones. Concentración de las soluciones. Expresiones físicas corrientes: %m/m, %m/V, % V/V. Conveniencia de la aplicación de cada criterio en función de los componentes de las mezclas. Separación de componentes de una solución: destilación, destilación fraccionada, evaporación, cristalización. Concepto de fase y componente. Concepto de sustancia. Clasificación de las soluciones en función de la concentración y la temperatura: saturadas, no saturadas, sobresaturadas.
Las soluciones
Sistemas homogéneos: Formado por una sola sustancia o componente, estando sometida a las mismas condiciones de presión y temperatura, con propiedades intensivas constantes en todos los puntos del sistema. Se define con una sola fase.
Soluciones: es una mezcla de dos o más componentes, perfectamente homogénea ya que cada componente se mezcla íntimamente con el otro, de modo tal que pierden sus características individuales. Esto último significa que los constituyentes son indistinguibles y el conjunto se presenta en una sola fase (sólida, líquida o gas) bien definida.
Sustancias: es una clase de materia de composición definida y propiedades intensivas constantes en todos sus puntos, con determinadas condiciones de presión y temperatura.
Una sustancia puede ser:
Simple: no puede descomponerse en otras sustancias más sencillas, por ningún método, físico o químico. Ej. Estaño, Oxígeno.
Compuesta: pueden descomponerse en otras sustancias más sencillas, por métodos físicos o mediante reacciones químicas. Ej el agua o el dióxido de carbono.
Soluto es aquel componente que se encuentra en menor cantidad y es el que se disuelve. El soluto puede ser sólido, líquido o gas, como ocurre en las bebidas gaseosas, donde el dióxido de carbono se utiliza como gasificante de las bebidas. El azúcar se puede utilizar como un soluto disuelto en un líquido (agua).
Solvente es aquel componente que se encuentra en mayor cantidad y es el medio que disuelve al soluto. El solvente es aquella fase en que se encuentra en solución. Aunque un solvente puede ser un gas, líquido o sólido, el solvente más común es el agua.
Tipos de soluciones
Sólidas
Sólido en sólido: cuando tanto el soluto como el solvente se encuentran en estado sólido. Un ejemplo claro de éste tipo de disoluciones son las aleaciones, como el zinc con el estaño.
Gas en sólido: un ejemplo es el hidrógeno (gas), que se disuelve bastante bien en metales, especialmente en el paladio (sólido). Esta característica del paladio se estudia como una forma de almacenamiento de hidrógeno.
Líquido en sólido: cuando una sustancia líquida se disuelve junto con un sólido. Las amalgamas se hacen con mercurio (líquido) mezclado con plata (sólido).
Líquidas
Sólido en líquido: este tipo de disoluciones es de las más utilizadas, pues se disuelven por lo general pequeñas cantidades de sustancias sólidas en grandes cantidades líquidas. Un ejemplo claro de este tipo es la mezcla de agua con azúcar.
Gas en líquido: por ejemplo, oxígeno en agua.
Líquido en líquido: esta es otra de las disoluciones más utilizadas. Por ejemplo, diferentes mezclas de alcohol en agua.
Gaseosas
Gas en gas: son las disoluciones gaseosas más comunes. Un ejemplo es el aire (compuesto por oxígeno y otros gases disueltos en nitrógeno). Dado que en estas soluciones casi no se producen interacciones moleculares, las soluciones que los gases forman son bastante comunes.
Sólido en gas: no son comunes, por ejemplo se pueden citar el polvo atmosférico disuelto en el aire.
Líquido en gas: por ejemplo, el aire húmedo o neblina, bruma, garua.
Concentración de las soluciones
Dijimos que las disoluciones son mezclas de dos o más sustancias, por lo tanto se pueden mezclar agregando distintas cantidades: Para saber exactamente la cantidad de soluto y de solvente de una disolución se utiliza una magnitud denominada concentración.
Dependiendo de su concentración, las disoluciones se clasifican en diluidas, concentradas, saturadas, sobresaturadas.
Diluidas: si la cantidad de soluto respecto del solvente es pequeña. Ejemplo: una solución de 1 gramo de sal de mesa en 100 gramos de agua.
Concentradas: si la proporción de soluto con respecto del solvente es grande. Ejemplo: una disolución de 25 gramos de sal de mesa en 100 gramos de agua.
Saturadas: se dice que una disolución está saturada cuando a una determinada temperatura cuando no admite más cantidad de soluto disuelto. Ejemplo: 36 gramos de sal de mesa en 100 gramos de agua a 20º C.
Si intentamos disolver 38 gramos de sal en 100 gramos de agua, sólo se disolvería 36 gramos y los 2 gramos restantes permanecerán en el fondo del vaso sin disolverse.
Sobresaturadas: disolución que contiene mayor cantidad de soluto que la permitida a una temperatura determinada. La sobresaturación se produce por enfriamientos rápidos o por descompresiones bruscas. Ejemplo: al sacar la tapa a una botella de refresco gaseoso.
Concentración de las soluciones: % m/m, % v/v, % m/v
Las unidades físicas de concentración están expresadas en función del peso y del volumen, en forma porcentual, y son las siguientes:
a) Tanto por ciento masa/masa % m/m = (cantidad de gramos de soluto) / (100 gramos de solución)
b) Tanto por ciento volumen/volumen % V/V = (cantidad de cm3 de soluto) / (100 cm3 de solución)
c) Tanto por ciento masa/volumen % m/V = (cantidad de gr de soluto)/ (100 cm3 de solución)
a) Porcentaje masa a masa (% m/m): indica la masa de soluto por cada 100 unidades de masa de la solución.
%m/m=(masa de soluto)/(masa de la solución)∙100
b) Porcentaje volumen a volumen (% V/V): se refiere al volumen de soluto por cada 100 unidades de volumen de la solución.
%v/v=(volumen de soluto)/(volumen de la solución)∙100
c) Porcentaje masa a volumen (% m/V): indica el número de gramos de soluto que hay en cada 100 ml de solución.
%m/V=(masa de soluto)/(volumen de la solución)∙100
Composición centesimal: porcentaje de cada componente de un sistema
Ej. Sistema con 130 gr agua, 70 gr sal y 50 gr azúcar → 130 gr + 70 gr + 50 gr = 250 gr solución
250 gr ------- 100 %
130 gr ------- x =
x=(130 gramos .100%)/(250 gramos)=52% de agua
250 gr ------- 100 %
70 gr ---------- x =
x=(70 gramos .100%)/(250 gramos)=18% de sal
r
250 gr --------- 100 %
50 gr ---------- x =
x=(50 gramos .100%)/(250 gramos)=20% de azúcar
Masa de la solución = masa soluto + masa solvente
Ej. %m/m 100 gr de soluto y 250 gr de solvente → 100 gr + 250 gr = 350 gr de solución
350 gr solución ----------- 100 gr soluto
100 gr solución ------------- x =
x=(100 gr solución ∙100 gr soluto)/(350 gramos de solución)=28,57 gr soluto
Ej. %m/v 6 gr de soluto en 20 gr de solución; densidad de la solución 1,2 g/cm3
1,2 gr solución -------- 1 cm3 solución
20 gr solución -------- x =
x=(20 gr solución ∙1 〖cm〗^3 gr soluto)/(1,2 gramos de solución)=16,6 〖cm〗^3
16,6 cm3 solución ---------- 6 gr soluto
100 cm3 solución ---------- x =
x=(100 〖cm〗^3 solución ∙6 gr soluto)/(16,6 〖cm〗^3 de solución)=36,14 gr soluto
Ej. %m/v 50 cm3 de soluto y 200 cm3 de solvente → 50 cm3 + 200 cm3 = 250 cm3 de solución
250 cm3 solución ---------------- 50 cm3 soluto
100 cm3 solución --------------- x =
x=(100 〖cm〗^3 solución ∙50 〖cm〗^3 soluto)/(250 〖cm〗^3 de solución)=20 〖cm〗^3 soluto
Se denomina fase (del latín phase: partes o fase) a cada una de las partes macroscópicas de una composición química con propiedades físicas homogéneas que forman un sistema. Los sistemas monofásicos se denominan homogéneos, y los que están formados por varias fases se denominan mezclas o sistemas heterogéneos.
Las sustancias que se mezclan se llaman componentes, y pueden estar en iguales o en distintos estados de agregación.
Distinguimos entre sus componentes, a uno, como solvente, y a los demás, como solutos. Si bien esta distinción no es clara, existen dos definiciones aceptadas en función de la sustancia de que se trate.
En el estado físico de la sustancia final. Solvente es el componente que tiene el mismo estado físico que la solución. Solutos el resto de los componentes.
En las cantidades relativas de los componentes. El solvente es aquel que se encuentra en mayor cantidad y solutos el resto.
Sin embargo, y en general, cuando uno de los componentes es el agua, se habla de soluciones acuosas, y es ésta el solvente.
Separación de componentes de una solución
Destilación: se usa para separar dos líquidos que se mezclan entre sí, que tienen distinto punto de ebullición, como una mezcla de agua y alcohol etílico.
La decantación se utiliza para separar líquidos que no se disuelven entre sí (como agua y aceite) o un sólido insoluble en un líquido (como agua y arena). El aparato utilizado, que se muestra en la fotografía, se llama ampolla o embudo de decantación. La decantación es el método de separación más sencillo, y comúnmente es el preámbulo a utilizar otros más complejos con la finalidad de lograr la mayor pureza posible.
El proceso de destilación se inicia al someter a altas temperaturas la mezcla. El líquido más volátil se evaporará primero, quedando el otro puro. Luego, la fase evaporada se recupera mediante condensación al disminuir la temperatura.
Según el tipo de mezcla que se desee separar, se contemplan dos tipos de destilación: la destilación simple
En la cual se separan sólido y líquido; el proceso se lleva a cabo por medio de una sola etapa, es decir, que se evapora el líquido de punto de ebullición más bajo y se condensa por medio de un refrigerante y la destilación fraccionada
En la que se separan dos líquidos. En la segunda es en la que se obtiene una mejor separación de los componentes, si bien esta va a depender de qué tan alta sea la diferencia entre los puntos de ebullición de las diferentes fases.
En la Destilación fraccionada el proceso se realiza en varias etapas, por medio de una columna de destilación, en la cual, se llevan a cabo continuamente numerosas evaporaciones y condensaciones. Al ir avanzando a lo largo de la columna, la composición del vapor es más concentrada en el componente más volátil y la concentración del líquido que condensa es más rica en el componente menos volátil. Cabe mencionar que este tipo de destilación es mucho más eficiente que una destilación simple y que mientras más etapas involucre, mejor separación se obtiene de los componentes.
Evaporación: consiste en separar los componentes más volátiles exponiendo una gran superficie de la mezcla. El aplicar calor y una corriente de aire seco acelera el proceso. La evaporación permite separar un líquido de un sólido disuelto en él, mediante el calor o la disminución de la presión. Para que este método funcione el sólido debe ser no volátil, de lo contrario se sublimará. Al final del proceso el líquido se ha transformado en gas y el sólido no volátil queda en el fondo del recipiente, en forma de cristales.
Cristalización:
Para efectuar la cristalización de un sólido hay que partir de una solución sobre-saturada. Existen varias formas de sobre-saturar una solución, una de ellas es el enfriamiento de la solución, otra consiste en eliminar parte del solvente (Por ejemplo: por evaporación) a fin de aumentar la concentración del soluto, otra forma consiste en añadir un tercer componente que tenga una mayor solubilidad que el componente que se desea cristalizar.
La rapidez del Enfriamiento definirá el tamaño de los cristales resultantes. Un enfriamiento rápido producirá cristales pequeños, mientras que un enfriamiento lento producirá cristales grandes.
Actividades de fijación de conceptos
Calcular la composición centesimal o sea el tanto por ciento de cada componente de los siguientes sistemas
1) 159 gramos de arena, 180 gramos de agua y 120 gramos de corcho
2) 320 gramos de harina, 380 gramos de agua y 420 gramos de azúcar
3) 720 gramos de arcilla, 680 gramos de agua y 315 gramos de tierra
4) 875 gramos de limaduras de hierro, 980 gramos de alcohol y 632 gramos de talco
5) 529 gramos de piedras, 618 gramos de agua y 970 gramos de cal
6) 954 gramos de cal, 980 gramos de agua y 850 gramos de cemento
7) 652 gramos de arena, 880 gramos de agua y 720 gramos de arcilla
8) 456 gramos de azúcar, 512 gramos de leche y 850 gramos de harina
9) 782 gramos de alcohol, 480 gramos de agua y 9720 gramos de aceite
10) 639 gramos de tierra, 560 gramos de agua y 280 gramos de semillas
Completar los siguientes cuadros
11)
Componente 1 Componente 2 Componente 3 Porcentaje c/comp
17,25 gr 57,75 gr 125 gr
115,2 140,8 144
149,6 190,4 160
39 20,8 200,2
50,58 174,22 56,2
12)
Componente 1 Componente 2 Componente 3 Porcentaje c/comp
27,25 gr 47,85 gr 245 gr
145,2 180,8 194
143,6 189,4 150
69 40,8 300,2
40,58 164,82 46,2
14)
13)
soluto solvente solución %m/m
57 200
76,2 339,6
76,3 320
127,5 100
soluto solvente solución %m/m
44 600
78,2 359,8
73,7 200
302,5 160
15)
soluto solvente solución %v/v
62,6 247,6
40,2 153,8
26,3 260
141,5 300
16)
Componente 1 Componente 2 Componente 3 Porcentaje c/comp
17,25 gr 57,75 gr 125 gr
115,2 140,8 144
149,6 190,4 160
39 20,8 200,2
50,58 174,22 56,2
17)
soluto solvente solución %v/v
32,4 217,6
20,2 129,8
36,3 160
243,7 400
18)
soluto solvente densidad %m/v
26 150 1,5
30,2 129,8 2
13,7 86,3 1,2
12,5 137,5 1,8
Guía de estudio de soluciones
19) Expresa en qué consiste una solución gas en gas.
20) Explica el método de separación de fases de la evaporación.
21) Expresa en qué consiste una solución líquido en gas
22) Explica el método de separación de fases de la cristalización
23) Expresa en qué consiste una solución gas en sólido.
24) Explica la destilación fraccionada
25) Expresa en qué consiste una solución líquido en líquido.
26) ¿Qué produce la sobresaturación de una sustancia?
27) Expresa en qué consiste una solución sólido en líquido.
28) ¿Cuántas concentraciones podemos encontrar en las soluciones?
29) Explica la destilación simple
30) ¿Cuándo un sistema es homogéneo?
31) Expresa en qué consiste una solución sólido en gas.
32) ¿Qué es una sustancia y como se clasifica?
33) Expresa en qué consiste una solución gas en líquido
34) Define solvente
35) Expresa en qué consiste una solución sólido en sólido
36) ¿Qué es una solución?
37) Define soluto
38) Expresa en qué consiste una solución líquido en sólido.
El carácter eléctrico de la materia
Modelo sencillo de átomo
Los componentes universales del átomo: electrones protones y neutrones. Ubicación espacial: núcleo y nube electrónica. Número atómico. Noción de elemento químico como clase de átomo. Símbolos químicos. Introducción a la tabla periódica. Grupos y períodos. Metales, no metales.
Modelos atómicos
Modelo Atómico de Dalton
En 1808 Dalton formuló la teoría atómica, teoría que rompía con todas las ideas tradicionales derivada de los antiguos filósofos griegos (Demócrito, Leucipo). Este Introduce la idea de la discontinuidad de la materia, es decir, es la primera teoría científica que considera que la materia está dividida en átomos. Los postulados básicos de esta teoría son:
La materia está dividida en unas partículas indivisibles e inalterables llamadas átomos.
Los átomos son partículas muy pequeñas y no se pueden ver a simple vista.
Todos los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí, igual masa e iguales propiedades.
Los átomos de distintos elementos tienen distinta masa y distintas propiedades.
Los compuestos se forman cuando los átomos se unen entre sí, en una relación constante y sencilla.
En las reacciones químicas los átomos se separan o se unen; pero ningún átomo se crea ni se destruye, y ningún átomo de un elemento se convierte en átomo de otro elemento.
Esta concepción se mantuvo casi durante un siglo.
Modelo Atómico de Thomson
Posteriormente, en el año 1897 se descubre el electrón, una de las partículas subatómicas que conforma el átomo. En 1898 Thomson propuso un modelo atómico que tomaba en cuenta la existencia de dicha partícula subatómica. Su modelo era estático, ya que suponía que los electrones estaban en reposo dentro del átomo, y que el conjunto era eléctricamente neutro.
El modelo de Thomson era parecido a un budín con pasas de uvas, los electrones estaban incrustados en una masa esférica de carga positiva. La carga negativa total de los electrones era la misma que la carga total positiva de la esfera, por lo que dedujo que el átomo era neutro.
Thomson también explicó la formación de iones, tanto positivos como negativos.
Cuando el átomo pierde algún electrón, la estructura queda positiva y se forman iones positivos; pero si el átomo gana algún electrón, la estructura queda negativa y se forman iones negativos.
Modelo Atómico de Rutherford
Tras el descubrimiento del Protón, Rutherford formuló su modelo atómico.
En 1911, Rutherford empleó las partículas alfa para determinar la estructura interna de la materia. A partir de ese experimento dedujo que:
La mayoría de las partículas atraviesan la lámina sin desviarse (99,9%).
Algunas partículas se desvían (0,1%).
Al ver que no se cumplía el modelo propuesto por Thomson, Rutherford formuló el modelo nuclear del átomo. Según este modelo, el átomo está formado por un núcleo y una corteza
Núcleo: aquí se concentra casi la totalidad de la masa del átomo, y tiene carga positiva.
Corteza: está formada por los electrones, que giran alrededor del núcleo describiendo órbitas circulares (sistema solar en miniatura)
Así mismo, también dijo que la materia es neutra, ya que la carga positiva del núcleo y la negativa de la corteza se neutralizan entre sí.
Rutherford dedujo que:
La materia está casi vacía; el núcleo es 100.000 veces más pequeño que el radio del átomo.
La mayoría de las partículas alfa no se desvían porque pasan por la corteza, y no por el núcleo.
Las que pasan cerca del núcleo se desvían porque son repelidas.
Cuando el átomo suelta electrones, el átomo se queda con carga negativa, convirtiéndose en un ión negativo; pero si, por el contrario, el átomo gana electrones, la estructura será positiva y el átomo se convertirá en un ión negativo.
El átomo es estable.
Modelo Atómico de Böhr
Con el descubrimiento del neutrón, en 1913, el modelo atómico de Rutherford llevaba a unas conclusiones que se contradecían claramente con los datos experimentales. Para evitar esto, Böhr planteó unos postulados que no estaban demostrados en principio, pero que después llevaban a unas conclusiones que sí eran coherentes con los datos experimentales; es decir, la justificación experimental de este modelo es a posteriori.
Böhr intentó mejorar el modelo atómico de Rutherford aplicando las ideas cuánticas de Planck a su modelo. Para realizar su modelo atómico se valió del átomo de hidrógeno; describió el átomo de hidrógeno con un protón como núcleo y con un electrón girando a su alrededor. Böhr uso nuevas ideas sobre la cuantización de la energía y situó a los electrones en lugares exactos del espacio.
El modelo de Böhr permitió explicar adecuadamente el espectro del átomo de hidrógeno, pero fallaba al intentar aplicarlo a átomos polielectrónicos y al intentar justificar el enlace químico. Además, los postulados de Böhr suponían una mezcla un tanto confusa de mecánica clásica y mecánica cuántica.
Modelo Mecano – Cuántico
Es el modelo actual; fue expuesto en 1925 por Heisenberg y Schrödinger.
Aspectos característicos:
Dualidad onda-partícula: Broglie propuso que las partículas materiales tienen propiedades ondulatorias, y que toda partícula en movimiento lleva una onda asociada.
Principio de indeterminación: Heisenberg dijo que era imposible situar a un electrón en un punto exacto del espacio.
Las ecuaciones del modelo mecano-cuántico describen el comportamiento de los electrones dentro del átomo, y recogen su carácter ondulatorio y la imposibilidad de predecir sus trayectorias exactas.
Así establecieron el concepto de orbital, región del espacio del átomo donde la probabilidad de encontrar un electrón es muy grande.
Dentro del orbital, el electrón se ubica en una nube de y dentro de esta nube, en el lugar en el que la densidad sea mayor, la probabilidad de encontrar un electrón también será mayor.
Resumiendo la secuencia histórica de los modelos atómicos estudiados
Átomo: Es la menor cantidad de un elemento que entra en combinación química y que no puede reducirse a partículas más simples por procedimientos químicos.
Partículas subatómicas
Protón: Partícula con carga positiva, posee una masa semejante al neutrón, los protones se encuentran en el núcleo del átomo, su peso es aproximadamente 1.837 veces mayor al del electrón.
Electrón: Partícula con carga negativa, tiene masa muy pequeña, giran alrededor del núcleo en los niveles de energía y dentro de éstos en orbitales.
Neutrón: No tiene carga eléctrica; posee masa semejante al protón, se encuentra en el núcleo del átomo.
La cantidad de protones que tiene un átomo le confiere a éste las características particulares que lo identifican y definen.
Número atómico: Cantidad de protones que constituyen el elemento químico, se simboliza con la letra Z. En la Tabla Periódica los elementos se encuentran ordenados en base al número atómico.
Número másico: Suma de los protones y neutrones, se simboliza con la letra A, indica la masa atómica, su fórmula sería A = N + Z
Recuerda que al estar eléctricamente neutro: la cantidad de protones y de electrones que tiene el átomo, es el mismo, por lo tanto con el número atómico puedo saber la cantidad de electrones que posee y como se ubican en los niveles de energía me lo indica también la Tabla Periódica.
Tabla periódica
La tabla periódica de los elementos clasifica, organiza y distribuye los distintos elementos químicos, conforme a sus propiedades y características; su función principal es establecer un orden específico agrupando elementos.
Suele atribuirse la tabla a Dmitri Mendeléyev, quien ordenó los elementos basándose en las propiedades químicas de los elementos, si bien Julius Lothar Meyer, trabajando por separado, llevó a cabo un ordenamiento a partir de las propiedades físicas de los átomos. La forma actual es una versión modificada de la de Mendeléyev; fue diseñada por Alfred Werner.
Grupo: El número de grupo coincide en general con el número de electrones del último nivel de energía del átomo. Los elementos de propiedades similares están reunidos en columnas (verticales), que se denominan grupos; los cuales están identificados con números romanos y distinguidos como grupos A y grupos B. Para evitar confusión, actualmente también se clasifican los elementos en grupos del 1 al 18. Los elementos de los grupos A se conocen como elementos representativos y los de los grupos B como elementos de transición. Los elementos de transición interna o tierras raras se colocan aparte en la tabla periódica en dos grupos de 14 elementos, llamadas series lantánida y actínida.
La tabla periódica permite clasificar a los elementos en metales, no metales y gases nobles. Una línea diagonal quebrada ubica al lado izquierdo a los metales y al lado derecho a los no metales. Aquellos elementos que se encuentran cerca de la diagonal presentan propiedades de metales y no metales; reciben el nombre de metaloides.
Metales: Son buenos conductores del calor y la electricidad, son maleables y dúctiles, tienen brillo característico.
No Metales: Pobres conductores del calor y la electricidad, no poseen brillo, no son maleables ni dúctiles y son frágiles en estado sólido.
Metaloides: poseen propiedades intermedias entre Metales y No Metales.
Período: El número de período coincide con el número de niveles de energía del átomo.
Los elementos están distribuidos en filas (horizontales) denominadas períodos y se enumeran del 1 al 7 con números arábigos.
El primer período tiene sólo dos elementos: H y He; el segundo y tercer períodos contienen 8 elementos. Se observa además que un conjunto de elementos, la serie de los lantánidos del sexto período, y la serie de los actínidos del séptimo período, se han anexado debajo de la tabla por conveniencia en su representación.
La tabla periódica está relacionada directamente con la estructura electrónica de los elementos.
Bloques: Representativos – De transición – De transición interna
Niveles de energía electrónicos.
Átomo que se encuentra eléctricamente neutro por tener igual cantidad de protones (positivos) y electrones (negativos)
Na Z = 11 A = 23 P = 11 e = 11 N = 12 (Recuerda A = Z + N)
Distribución de electrones por nivel
Distribución de electrones en niveles: Indica la cantidad de niveles de energía que tiene el átomo y la cantidad de electrones que hay en cada nivel de energía.
Los metales corresponde a los elementos situados a la izquierda y centro de la Tabla Periódica (Grupos 1 (excepto hidrógeno) al 12, y en los siguientes se sigue una línea quebrada que, aproximadamente, pasa por encima de Aluminio (Grupo 13), Germanio (Grupo 14), Antimonio (Grupo 15) y Polonio (Grupo 16) de forma que al descender aumenta en estos grupos el carácter metálico).
Los no metales son los elementos situados a la derecha en la Tabla Periódica por encima de la línea quebrada de los grupos 14 a 17 y son tan solo 25 elementos. (Incluyendo el Hidrógeno). Colocados en orden creciente de número atómico, los elementos pueden agruparse, por el parecido de sus propiedades, en 18 familias o grupos (columnas verticales). Desde el punto de vista electrónico, los elementos de una familia poseen la misma configuración electrónica en la última capa, aunque difieren en el número de capas (periodos). Los grupos o familias son 18 y se corresponden con las columnas de la Tabla Periódica.
Actividades de fijación de conceptos
1) Escribir el nombre de cada uno de los siguientes elementos:
a) Re_____________ b) Ru_____________ c) Ra____________ d) Ta_____________________
e) Te_________________ f) Ti__________________ g) Cr__________ h) I_________________
i) Yb________________ j) Y_______________ k) Ir_________________ l)In_________________ m) Zn_________________ n) Pd_____________ o) V ____________ p) Sr _________________
q) Se_________________ r) Si ___________________ s) Xe________________
t) Ag_________________ u) W______________________
2) Escribir el símbolo químico de cada uno de los siguientes elementos:
a) Hierro__________ b) Niobio_______ c) Mercurio_________ d) Fósforo_______
e) Potasio_______ f) Oro _________g) Platino__________ h) Cobre __________
i) Cobalto_______ j) Circonio________ k) Einstenio______ l) Tulio ___________
3) Encontrar al elemento de los cuatro indicados que No pertenece al mismo período que los demás:
a) Nitrógeno, Litio, Sodio, Flúor_____________________
b) Cesio, Polonio, Osmio, Francio_______________________
c) Disprosio, Torio, Plutonio, Curio __________________
d) Db, Am, Fm, Ei __________ e) Co, Ce, Cu, Ca ___________
f) Plata, Yodo, Oro, Molibdeno _____________________
g) Gd, Er, Tm, Ba ___________ h) W, Pb, Rn, Nb ___________
4) Encontrar al elemento de los cuatro indicados que No pertenece al mismo grupo que los demás:
a) Magnesio, Potasio, Radio, Calcio___________________
b) F, Cl, O, At___________________________
c) Fósforo, Azufre, Bismuto, Nitrógeno________________
d) B, In, Tl, Ir__________________________
e) Radón, Radio, Argón, Helio______________________
f) He, H, Na, Fr_________________________
5) ¿Cuál es el elemento del grupo II y del período 4?________________________
6) ¿Cuál es el elemento del grupo 11 y del período 4?_________________________
7) ¿Cuántos electrones tiene el elemento del grupo 15 y del período 2?_______________________
8) Nombrar al elemento que tiene 2 electrones más que el elemento del grupo 9 y período 6._____
9) Nombrar al halógeno de período 5___________________________________
10) Nombrar al gas noble de período 2_______________________________
11) ¿Cuál de los siguientes elementos no es un metal? Potasio, Bromo, Calcio, Magnesio, Francio__
12) ¿Cuál de los siguientes elementos no es un gas inerte? Oxígeno, Helio, Neón, Criptón________
13) ¿Cuál de los siguientes elementos es un halógeno? Nitrógeno, Hidrógeno, Flúor, Oxígeno_____
14) ¿Cuál de los siguientes elementos no es un elemento de transición? Hierro, Plata, Potasio, Cobre, Cinc__________________
15) ¿Cuál de los siguientes elementos es un metal alcalino? Aluminio, Hierro, Potasio, Cobre, Cinc_
16) ¿A qué grupo pertenece el Oro?__________________
17) ¿A qué período pertenece el Cobre?__________________
18) ¿A qué período y grupo pertenece el Mg?____________________
19) ¿A qué período y grupo pertenece el Zn? __________________
20) Encontrar al elemento de los cuatro indicados que No pertenece al mismo período que los demás:
a) Manganeso, Plata, Cinc, Cromo_________________ b) Mo, Mn, Ag, Ru _________
c) Ta, Re, Hg, Ru______________ d) Hierro, Cobalto, Niobio, Vanadio_________________
e) Uranio, Lantano, Neptunio, Plutonio ____________________ f) Hf, Ta, Mo, Pt _____________
g) Escandio, Níquel, Germanio, Molibdeno _______________ h) Si, Na, Ar, Au_______
21) Encontrar al elemento de los cuatro indicados que No pertenece al mismo grupo que los demás:
a) Sodio, Radio, Potasio, Cesio________________ b) Cobalto, Rodio, Molibdeno, Iridio_________ c) S, Se, Cs, Po_____________ d) Calcio, Francio, Bario, Estroncio______________
e) Vanadio, Renio, Bohrio, Tecnecio_____________ f) Cl, I, Y, At____________
g) Níquel, Platino, Escandio, Paladio____________ h) Ne, Re, Rn, Xe_________
i) Bismuto, Estaño, Antimonio, Arsénico_____________
22) Dado dos elementos del mismo grupo ¿Cuál tiene mayor cantidad de electrones, uno del período 3 uno del período 4?________________________
23) Dado dos elementos del mismo período ¿Cuál tiene mayor cantidad de electrones, uno del grupo 10 o uno del grupo 11?_______________________
24) Completar los siguientes cuadros con los números atómico (Z) y másico (A), números de protones (P+), número de electrones (e-) y número de neutrones (N)
Elemento Z A P+ e- N
23
50
17
3
15
82
25
1
8
14
a)
Elemento Z A P+ e- N
27 14
40 20
23 12
6 6
7 7
9 10
18 22
35 45
19 21
4 5
b)
25) ¿Cuántos protones, electrones y neutrones tiene el B _ Zr _ Fr _ Sn _ Pb_ Xe _ Sc _ Fe _
S _ Pt? (Son 10 elementos diferentes)
26) Indicar período y grupo de los siguientes elementos:
a) U _ La _ Np _ Pu _Hf _ Ta _ Mn _ Rh
b) Hierro _ Cobalto _ Galio _ Vanadio _Cromo _ Níquel _ Cinc _ Molibdeno
27) a) ¿Qué me indica el grupo en la tabla periódica
b) ¿Qué me indica el período en la tabla periódica?
28) Expresa los elementos que pertenecen a los Lantánidos y los elementos que pertenecen a los Actínidos.
29) Represente el átomo de los siguientes elementos, indicando: niveles de energía, cuantos electrones hay en cada nivel, núcleo, ubicación de subpartículas en el núcleo del átomo.
a) Bismuto b) Circonio c) Erbio d) Californio e) Iterbio f) Oro g) Nobelio h) Hahnio i) Itrio j) Criptón
30) Indicar que número Z y que número A tienen los siguientes elementos químicos.
a) Po b) No c) Gd d) Sm e) Th f) Tl g) Ho h) Tm i) Cm j) Lw
31) Dados Z y A expresar a que elemento de la tabla periódica corresponde.
a) Z= 63 A= 152 b) Z= 101 A = 256 c) Z= 105 A = 262 d) Z= 94 A= 239
e) Z= 95 A= 243 f) Z= 79 A= 197 g) Z= 71 A = 175 h) Z= 102 A = 259
i) Z= 61 A= 147 j) Z= 58 A= 140
32) a) Sabemos que el átomo “X” tiene 5 niveles de energía en el primer nivel tiene 2 electrones, en el segundo nivel tiene 8 electrones, en el tercer nivel tiene 18 electrones, el en cuarto también 18 y en el quinto 6 electrones. ¿Qué elemento es?
b) Sabemos que el átomo “Y” tiene 7 niveles de energía en el primer nivel tiene 2 electrones, en el segundo nivel tiene 8 electrones, en el tercer nivel tiene 18 electrones, el en cuarto tiene 32, en el quinto tiene también 32 electrones, en el sexto tiene 10 electrones y en el séptimo nivel tiene 2. ¿Qué elemento es?
c) Sabemos que el átomo “X” tiene 5 niveles de energía en el primer nivel tiene 2 electrones, en el segundo nivel tiene 8 electrones, en el tercer nivel tiene 18 electrones, el en cuarto tiene 10 y en el quinto 2 electrones. ¿Qué elemento es?
d) Sabemos que el átomo “Y” tiene 7 niveles de energía en el primer nivel tiene 2 electrones, en el segundo nivel tiene 8 electrones, en el tercer nivel tiene 18 electrones, el en cuarto tiene 32, en el quinto tiene 18 electrones, en el sexto tiene 9 electrones y en el séptimo nivel tiene 2. ¿Qué elemento es?
33) Completar el cuadro de abajo:
Símbolo Elemento Z Neutrones A Electrones Protones
Li 4 7
Calcio 20 20
N 7 14
Cloro 35 17
Ne 10 20
Plata 61 47
Oxígeno 8 16
Si 119 50
At 210 85
Cromo 28 52
Co 59 27
Mg 12 12
Carbono 6 6
Ar 22 18
Mn 30 55
Hierro 56 26
Na 11 23
Bromo 35 80
Sn 50 119
Yodo 127 53
P 15 31
Cambios físicos y cambios químicos
Reacciones químicas sencillas de aparición en la vida cotidiana: combustión, redox (corrosión), síntesis, descomposición. Reacciones químicas como reestructuración de enlaces con conservación de átomos de cada elemento. Diferencia con los procesos físicos (disolución y difusión). Primera noción que distingue los cambios físicos y químicos (criterio de irreversibilidad).
Las reacciones químicas son procesos de cambio de unas sustancias en otras. De acuerdo con la teoría atómica de la materia se explican como el resultado de un reagrupamiento de átomos para dar nuevas moléculas. Las sustancias que participan en una reacción química y las proporciones en que lo hacen, quedan expresadas en una ecuación química
Cambio Las sustancias
inicialmente… Las moléculas de las
sustancias que intervienen
Físicos No se modifican No se modifican
Químicos Desaparecen y
se producen
nuevas sustancias Cambian las moléculas y las
sustancias que intervienen
se modifican y pasan a ser otras
Reacciones de descomposición: se producen cuando algún material sufre putrefacción, o combustión o corrosión, las sustancias originales por acción de diversos factores se convierten en otras sustancias.
La descomposición química es, con frecuencia, una reacción química no deseada, pues la estabilidad de un compuesto es siempre limitada cuando se la expone a condiciones ambientales extremas como el calor, la electricidad, las radiaciones, la humedad o ciertos compuestos químicos (ácidos, oxidantes, etc). Los casos más frecuentes de descomposición son la descomposición térmica y la electrólisis. La descomposición química total de un compuesto origina los elementos que lo constituyen.
Reacciones de síntesis: en este caso a partir de sustancias simples se obtiene un producto más complejo, un ejemplo es el amoníaco que se forma a partir del hidrógeno y del nitrógeno.
Cuando se produce una reacción química, puede ser reversible, si invirtiendo el proceso volvemos a obtener las sustancias de las que partimos; por el contrario si no podemos volver a obtenerlas decimos que el proceso es irreversible.
Existen también otros tipos de reacciones químicas basadas en la acides o no de algunas sustancias; los químicos que estudiaron estas reacciones clasifican como ácidos a las sustancias capaces de ceder un átomo de hidrógeno. En cambio las sustancias que pueden agregar un átomo de hidrógeno se denominan bases.
Como ejemplo de sustancia ácida tenemos los jugos de los cítricos de ahí su nombre ácido cítrico.
Una sustancia que es base es la soda cáustica, que se utiliza para destapar cañerías sanitarias bloqueadas.
Este átomo de hidrógeno intercambiable es un átomo de hidrógeno ionizado.
La lluvia ácida se forma cuando la humedad en el aire se combina con los óxidos de nitrógeno y el dióxido de azufre emitidos por fábricas, centrales eléctricas y vehículos que queman carbón o productos derivados del petróleo. En interacción con el vapor de agua, estos gases forman ácido sulfúrico y ácidos nítricos, finalmente, estas sustancias químicas caen a la tierra acompañando a las precipitaciones.
Los contaminantes atmosféricos primarios que dan origen a la lluvia ácida pueden recorrer grandes distancias, siendo trasladados por los vientos cientos o miles de kilómetros antes de precipitar en forma de rocío, lluvia, llovizna, granizo, nieve, niebla o neblina. Cuando la precipitación se produce, puede provocar importantes deterioros en el ambiente.
La lluvia normalmente presenta un pH de aproximadamente 5.65 (ligeramente ácido), debido a la presencia del CO2 atmosférico, que forma ácido carbónico, H2CO3. Se considera lluvia ácida si presenta un pH de menos de 5 y puede alcanzar el pH del vinagre (pH 3). Estos valores de pH se alcanzan por la presencia de ácidos como el ácido sulfúrico, H2SO4, y el ácido nítrico, HNO3. Estos ácidos se forman a partir del dióxido de azufre, SO2, y el monóxido de nitrógeno que se convierten en ácidos.
Un precipitado es el sólido que se produce en una disolución por efecto de difusión o de una reacción química o bioquímica. A este proceso se le llama reacciones de precipitación. Dicha reacción puede ocurrir cuando una sustancia insoluble se forma en la disolución debido a una reacción química o a que la disolución ha sido sobresaturada por algún compuesto, esto es, que no acepta más soluto y que al no poder ser disuelto, dicho soluto forma el precipitado.
Un ejemplo es la pintura amarilla de los cordones de calle, que se forma con un polvo amarillo que es cromato de plomo que se obtiene de la reacción química del cromato de potasio y el nitrato de plomo ambas sustancias solubles en agua, por lo que forman una solución acuosa.
En la mayoría de los casos, el precipitado (el sólido formado) cae al fondo de la disolución, aunque esto depende de la densidad del precipitado: si el precipitado es más denso que el resto de la disolución, cae. Si es menos denso, flota, y si tiene una densidad similar, se queda en suspensión.
El efecto de la precipitación es muy útil en muchas aplicaciones, tanto industriales como científicas, en las que una reacción química produce sólidos que después puedan ser recogidos por diversos métodos, como la filtración, la decantación o por un proceso de centrifugado.
Se denomina reacción de reducción-oxidación, de óxido-reducción o, simplemente, reacción REDOX, a toda reacción química en la que uno o más pares de electrones se transfieren entre los reactivos, provocando un cambio en sus estados de oxidación.
Para que exista una reacción de reducción-oxidación, en el sistema debe haber un elemento que ceda electrones, y otro que los acepte:
El agente reductor es aquel elemento químico que suministra electrones de su estructura química al medio, aumentando su estado de oxidación, es decir, siendo oxidado.
El agente oxidante es el elemento químico que tiende a captar esos electrones, quedando con un estado de oxidación inferior al que tenía, es decir, siendo reducido.
Cuando un elemento químico reductor cede electrones al medio, se convierte en un elemento oxidado, y la relación que guarda con su precursor queda establecida mediante lo que se llama un “par redox”. Análogamente, se dice que, cuando un elemento químico capta electrones del medio, este se convierte en un elemento reducido, e igualmente forma un par redox con su precursor oxidado.
Como ejemplo de esta reacción química vamos a ver la corrosión y la combustión:
Corrosión: como dijimos es una reacción química de oxido reducción, intervienen 3 factores: la pieza manufacturada, el ambiente y el agua, o por medio de una reacción electroquímica.
Los factores más conocidos son las alteraciones químicas de los metales a causa del aire, como la herrumbre del hierro y el acero (es una aleación de hierro con una cantidad de carbono variable) o la formación de pátina verde en el cobre y sus aleaciones; de cobre y estaño (bronce) y de cobre y zinc (latón).
Sin embargo, la corrosión es un fenómeno mucho más amplio que afecta a todos los materiales (metales, cerámicas, polímeros, etc.) y todos los ambientes (medios acuosos, atmósfera, alta temperatura, etc.).
Es un problema industrial importante, pues puede causar accidentes (ruptura de una pieza) y, además, representa un costo importante, ya que se calcula que cada pocos segundos se disuelven 5 toneladas de acero en el mundo.
Combustión: es una reacción química de oxidación, en la cual generalmente se desprende una gran cantidad de energía, en forma de calor y luz, manifestándose visualmente como fuego.
En toda combustión existe un elemento que arde (combustible) y otro que produce la combustión (comburente), generalmente oxígeno en forma de O2 gaseoso. Los explosivos tienen oxígeno ligado químicamente por lo que no necesitan el oxígeno del aire para realizar la combustión.
Los tipos más frecuentes de combustible son los materiales orgánicos que contienen carbono e hidrógeno. En una reacción completa todos los elementos tienen el mayor estado de oxidación. En la combustión incompleta los productos que se queman pueden no reaccionar con el mayor estado de oxidación, debido a que el comburente y el combustible no están en la proporción adecuada
El proceso de destruir materiales por combustión se conoce como incineración.
Para iniciar la combustión de cualquier combustible, es necesario alcanzar una temperatura mínima, llamada temperatura de ignición, que se define como, a la temperatura mínima necesaria para que los vapores generados por un combustible comiencen a arder.
La temperatura de inflamación, en °C y a 1 atm es aquella temperatura a la que un combustible emite gases inflamables suficientes para alcanzar en su atmósfera el límite inferior de inflamabilidad, a partir del cual, con una fuente de calor externa puede producirse una combustión no auto mantenida. a la que, una vez encendidos los vapores del combustible, éstos continúan por si mismos el proceso de combustión.
Disolución y difusión
Cuando un terrón de azúcar se introduce en un vaso lleno de agua, al cabo de un tiempo parece, a primera vista, que se ha desvanecido sin dejar rastro de su presencia en el líquido. Esta aparente desaparición parece indicar que el fenómeno de la disolución se produce a nivel molecular.
La disolución de un sólido supone la ruptura de los enlaces de la red cristalina y la consiguiente disgregación de sus componentes en el seno del líquido. Para que esto sea posible es necesario que se produzca una interacción de las moléculas del disolvente con las del soluto. Cuando una sustancia sólida se sumerge en un disolvente apropiado, las moléculas situadas en la superficie del sólido son rodeadas por las del disolvente; este proceso lleva consigo la liberación de una cierta cantidad de energía que se cede en parte a la red cristalina y permite a algunas de sus partículas componentes desprenderse de ella e incorporarse a la disolución. La repetición de este proceso produce, al cabo de un cierto tiempo, la disolución completa del sólido.
Se denomina difusión al proceso por el cual se produce un flujo neto de moléculas a través de una membrana permeable sin que exista un aporte externo de energía. Este proceso, que en última instancia se encuentra determinado por una diferencia de concentración entre los dos medios separados por la membrana; no requiere de un aporte de energía.
Actividades de fijación de conceptos
Guía de estudio sobre reacciones químicas
1) Indica la definición de combustión
2) ¿En qué forma se desprende energía en la combustión?
3) Visualmente como vemos el desprendimiento de energía en la combustión.
4) ¿Cómo se denomina el elemento que arde en la reacción de combustión?
5) ¿Cómo se denomina el elemento que produce la combustión?
6) ¿Qué elemento químico debe estar presente SIEMPRE, para que haya combustión?
7) ¿Qué poseen los explosivos que no necesitan del aire para encender?
8) Explica el proceso de disolución química y da un ejemplo.
9) En una reacción química como están todas las sustancias?
10) ¿Qué es lo que causa la lluvia ácida?
11) ¿Qué denominación recibe la destrucción de materiales por combustión?
12) ¿Qué es la temperatura de ignición?
13) ¿Para qué es necesaria dicha temperatura de ignición?
14) ¿Qué es la temperatura de inflamación?
15) ¿Qué es una reacción de síntesis?
16) ¿Qué sucede con el agente oxidante y con el agente reductor en una reacción de oxido reducción?
17) ¿Cuándo se produce una reacción de precipitación?
18) Expresa el concepto de reacción reversible e irreversible
19) ¿Explica que es corrosión?
20) ¿Qué factores intervienen en la corrosión?
21) Explica en qué consiste una reacción REDOX
22) ¿Porque es un problema importante a nivel mundial la corrosión?
23) Ejemplifica una reacción de difusión.
24) ¿Qué sucede cuando el precipitado es más denso que el resto de la solución?
25) ¿Qué nombre recibe el átomo de hidrógeno involucrado en las reacciones ácido-base?
26) ¿Cuál es el ph de la lluvia ácida?
27) ¿Cuáles elementos químicos contienen los materiales orgánicos que producen combustión?
28) ¿Qué nombre reciben las alteraciones químicas producida por la corrosión en los metales?
29) Cuando sigo agregando sal a un vaso de agua y no se disuelve más ¿Qué nombre recibe la reacción?
30) Si agrego una barrita de chocolate a la leche caliente. ¿Qué nombre recibe esta reacción química?
31) Observando el mapa conceptual de las aplicaciones de las reacciones químicas estudiadas, investiga alguna de ellas y explica el proceso químico involucrado.
Los materiales frente a la electricidad
Electricidad estática, por frotamiento o por inducción. Fuerza eléctrica. Noción de campo eléctrico. Inducción electrostática. Efecto de puntas. Conductores y aislantes.
Los materiales frente a la electricidad
La electrostática es la rama de la física que estudia los efectos mutuos que se producen entre los cuerpos como consecuencia de su carga eléctrica, es decir, el estudio de las cargas eléctricas en reposo, sabiendo que las cargas puntuales son cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables frente a otras dimensiones del problema. La carga eléctrica es la propiedad de la materia responsable de los fenómenos electrostáticos, cuyos efectos aparecen en forma de atracciones y repulsiones entre los cuerpos que la poseen.
La electricidad estática es un fenómeno que se debe a una acumulación de cargas eléctricas en un objeto. Esta acumulación puede dar lugar a una descarga eléctrica cuando dicho objeto se pone en contacto con otro.
Antes del año 1832, que fue cuando Michael Faraday publicó los resultados de sus experimentos sobre la identidad de la electricidad, los físicos pensaban que la electricidad estática era algo diferente de la electricidad obtenida por otros métodos. Michael Faraday demostró que la electricidad inducida desde un imán, la electricidad producida por una batería, y la electricidad estática son todas iguales.
La electricidad estática se produce cuando ciertos materiales se frotan uno contra el otro, como lana contra plástico o las suelas de zapatos contra la alfombra, donde el proceso de frotamiento causa que se retiren los electrones de la superficie de un material y se reubiquen en la superficie del otro material que ofrece niveles energéticos más favorables.
A mediados del siglo XVIII, los científicos comenzaron a considerar la existencia de dos tipos de fluidos invisibles y construyeron las primeras máquinas electrostáticas, que obtenían electricidad por frotamiento y con las que se conseguían descargas semejantes a los rayos de las tormentas.
Esto llevó a Benjamín Franklin (1706-1790) a realizar una experiencia muy famosa: elevó un barrilete sujeto por una cuerda de cáñamo en cuyo extremo ató un hilo de seda, colocando en la unión de ambos una llave metálica. En esa unión –suponía Franklin- debía acumularse la electricidad y hacerse evidente por la producción de chispas.
De la experiencia, Franklin dedujo que los objetos puntiagudos tienen gran poder de atracción y de repulsión y que la electricidad puede entrar y salir por sus puntas. Inventando así el pararrayos.
El pararrayos
Las nubes de tormenta se cargan negativamente en su base, mientras que la tierra presenta cargas positivas, entonces al colocar un pararrayos en lo alto de un edificio, lo conectamos a tierra mediante un cable que termina en una jabalina enterrada en la tierra, quedando cargado positivamente. Su punta atrae los rayos que son descargados haciendo masa a tierra. Evitando que el edificio sea dañado por esa descarga
Electricidad por frotamiento
La electricidad por inducción se produce cuando un cuerpo que está cargado le transfiere a otro la carga sin que exista contacto físico entre ellos. O sea no se transfieren electrones de un objeto a otro como ocurre con la electrización por frotamiento, lo que se produce es una redistribución de las cargas.
Un disco cargado negativamente enfrentado a un segundo disco, pero sin contacto físico, hace que los electrones de éste sean repelidos hacia su lado derecho.
Fuerza eléctrica
Cuando dos cuerpos poseen carga eléctrica, aparece entre ellos una fuerza de repulsión o de atracción, según tengan cargas del mismo signo o de signos diferentes según hemos visto previamente.
La ley de Coulomb establece que la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas –puntuales- es directamente proporcional al producto de sus masas eléctricas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separan, cuanto más intensas sean las cargas, o más cercanas se hallen una de la otra, la fuerza eléctrica será mayor.
Campo eléctrico
Imaginen una esfera que tenga carga eléctrica. La esfera ejercerá una fuerza sobre cualquier otro cuerpo cargado que se encuentre a su alrededor. Para describir esta fuerza, es útil el concepto de campo eléctrico. Se piensa, entonces, que la esfera crea un campo eléctrico en el espacio que la rodea. Si otro cuerpo cargado se halla en presencia de ese campo, recibirá una fuerza eléctrica cuya intensidad será directamente proporcional a la intensidad del campo y a la carga eléctrica del cuerpo.
El campo eléctrico se representa gráficamente mediante las llamadas líneas de campo. En cada punto del espacio, la dirección del campo, y de la fuerza que ejerce, es tangente a la línea que pasa por ese punto.
El espacio que rodea una carga eléctrica aislada en el que se manifiestan las acciones eléctricas se llama campo eléctrico.
Estas acciones son de dos clases:
Sobre un cuerpo cargado actúa una fuerza.
En un conductor descargado aparecen cargas inducidas.
En el vacío y en los cuerpos aisladores, que también se llaman dieléctricos, el campo eléctrico solamente está limitado por la superficie de los conductores, puesto que en el interior de los conductores cargados las cargas son nulas, por lo tanto no existe campo eléctrico.
Conductores y aislantes
Los materiales se comportan de forma diferente en el momento de adquirir una carga eléctrica. Así, una varilla metálica sostenida con la mano y frotada con una piel no resulta cargada. Sin embargo, sí es posible cargarla cuando al frotarla se usa para sostenerla un mango de vidrio o de plástico y el metal no se toca con las manos al frotarlo. La explicación es que las cargas pueden moverse libremente entre el metal y el cuerpo humano, lo que las iría descargando en cuanto se produjeran, mientras que el vidrio y el plástico no permiten la circulación de cargas porque aíslan eléctricamente la varilla metálica del cuerpo humano.
En ciertos materiales, típicamente en los metales, los electrones más alejados de los núcleos respectivos adquieren fácilmente libertad de movimiento en el interior del sólido. Estos electrones libres son las partículas que transportarán la carga eléctrica. Al depositar electrones en ellos, se distribuyen por todo el cuerpo, y viceversa, al perder electrones, los electrones libres se redistribuyen por todo el cuerpo para compensar la pérdida de carga. Estas sustancias se denominan conductores.
Los aislantes o dieléctrico son materiales en los que los electrones están firmemente unidos a sus respectivos átomos, estas sustancias no poseen electrones libres y no será posible el desplazamiento de carga a través de ellos. Al depositar una carga eléctrica en ellos, la electrización se mantiene localmente. El vidrio y los plásticos son ejemplos típicos.
Actividades de fijación de conceptos
Indicar si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas. Justifica tus respuestas.
1) El núcleo de un átomo está formado por protones y neutrones_______
2) Los protones tienen carga positiva y los neutrones, carga negativa________
3) Los átomos poseen exactamente el mismo número de protones que de electrones_______
4) Los átomos son eléctricamente neutros._________
5) Dos cargas positivas se atraen________
6) Dos cargas negativas se repelen________
7) Las cargas eléctricas del mismo signo se repelen y las de signos opuestos se atraen_________
8) Al frotar una regla de plástico con un paño de lana, algunos electrones del paño pasan a la regla_______
9) En la electrización por inducción hay transferencia de electrones de un objeto a otro_________
10) Es posible transmitir electrones de un cuerpo a otro con solo ponerlos en contacto_________
11) Las cargas eléctricas no se crean ni se destruyen___________
12) El cobre es un buen conductor de cargas eléctricas________
13) Las cargas se acumulan en el interior de un conductor y escapan de su superficie__________
14) En las puntas de un conductor, dada su menor superficie, hay menos cargas que en el resto_________
15) En un conductor las cargas se trasladan con dificultad__________
16) Un mal conductor es un buen aislante_________
17) Un mal aislante es un buen conductor_________
18) Los relámpagos son descargas eléctricas entre dos nubes_________
19) Una carga eléctrica origina un campo eléctrico en el espacio que la rodea_________
20) Para una carga fuente negativa el campo apunta hacia afuera___________
Guía de estudio sobre electricidad
21) ¿Cuál es la parte de la física que se dedica al estudio de las cargas eléctricas en equilibrio o reposo?
22) ¿Qué la electrización por inducción?
23) ¿Qué es la fuerza eléctrica?
24) ¿Cuál es el efecto puntas?
25) ¿Cómo son los materiales aislantes?
26) ¿Cómo es un campo eléctrico?
27) ¿Cuándo estamos en presencia de un buen conductor de la electricidad?
28) ¿Qué es un mal conductor de la electricidad? Ejemplifique
29) ¿Cómo pueden llamarse también los malos conductores de la electricidad?
30) ¿Qué la electrización por frotamiento?
31) ¿Qué descubrió Benjamín Franklin?
32) ¿Cómo se denomina el estudio de la electricidad?
La corriente eléctrica
Modelo sencillo de conducción eléctrica. Portadores de carga en sólidos y en líquidos: metales y electrolitos en solución. Pilas, conductores y resistencias. Noción de corriente y de diferencia de potencial. Circuitos eléctricos. Ley de Ohm. Unidades: Volt, Ampere, Ohm. Series y paralelos. Energía disipada. Efecto Joule. Aplicaciones tecnológicas del efecto Joule. Consumo domiciliario. Nociones de seguridad respecto de la electricidad.
La corriente eléctrica
La corriente eléctrica es el movimiento de cargas por un cable. En la realidad, estas cargas son los electrones. Los metales pueden conducir la corriente. Cuando uno pone una pila entre las 2 puntas de un cable, la pila obliga a estos electrones a moverse. La pila provoca la aparición de la corriente eléctrica. Esta corriente eléctrica puede ser de dos tipos:
Corriente continua: Es aquella corriente en donde los electrones circulan en la misma cantidad y sentido, es decir, que fluye en una misma dirección. Su polaridad es invariable y hace que fluya una corriente de amplitud relativamente constante a través de una carga. A este tipo de corriente se le conoce como corriente continua (cc) o corriente directa (cd), y es generada por una pila o batería.
Este tipo de corriente es muy utilizada en los aparatos electrónicos portátiles que requieren de un voltaje relativamente pequeño. Generalmente estos aparatos no pueden tener cambios de polaridad, ya que puede acarrear daños irreversibles en el equipo.
Corriente alterna: La corriente alterna es aquella que circula durante un tiempo en un sentido y después en sentido opuesto, volviéndose a repetir el mismo proceso en forma constante. Su polaridad se invierte periódicamente, haciendo que la corriente fluya alternativamente en una dirección y luego en la otra. Se conoce en castellano por la abreviación CA y en inglés por la de AC.
Este tipo de corriente es la que nos llega a nuestras casas y sin ella no podríamos utilizar nuestros artefactos eléctricos y no tendríamos iluminación en nuestros hogares. Este tipo de corriente puede ser generada por un alternador o dinamo, la cual convierten energía mecánica en eléctrica.
La conducción eléctrica es el movimiento de partículas eléctricamente cargadas a través de un medio de transmisión (conductor eléctrico). El movimiento de las cargas constituye una corriente eléctrica. El transporte de las cargas puede ser a consecuencia de la existencia de un campo eléctrico.
En una disolución salina los portadores de carga son iones (átomos o grupos de átomos con carga eléctrica) tanto positivos como negativos; cuando se somete dicha disolución a una diferencia de potencial constante como la producida entre los bornes de una pila, se generarán movimientos de carga de sentidos opuestos; las cargas positivas se desplazaran por la disolución del extremo de mayor potencial al de menor potencial o lo que es lo mismo, del polo positivo de la pila al polo negativo, y las negativas en sentido contrario.
Portadores de carga en sólidos y en líquidos
El tipo de portadores de carga de la corriente eléctrica pueden ser electrones o iones; los electrones se conducen en un medio sólido como son los cables de cobre que es un metal buen conductor como hemos visto en la unidad anterior, por lo tanto va a depender de la conductividad eléctrica que posea el material que es el portador de la carga, cuando mejor conductor sea con más facilidad la va a transportar y cuando más resistencia le oponga al flujo de electrones será un aislante o semiconductor dependiendo de la resistencia que tenga el sólido. En cambio como vemos en la figura de arriba cuando los portadores de carga se encuentran en un medio líquido se conducen iones por eso reciben el nombre de conductividad iónica, este transporte se da cuando se utilizan electrolitos para generar cargas de signo diferente, tal cual se explica debajo de la figura de la electrolisis.
Pilas
Una pila eléctrica es un dispositivo que convierte energía química en energía eléctrica por un proceso químico transitorio, tras lo cual cesa su actividad y han de renovarse sus elementos constituyentes, puesto que sus características resultan alteradas durante el mismo. Se trata de un generador primario. Esta energía resulta accesible mediante dos terminales que tiene la pila, llamados polos, electrodos o bornes. Uno de ellos es el polo negativo o ánodo y el otro es el polo positivo o cátodo.
Las pilas básicamente consisten en dos electrodos metálicos sumergidos en un líquido, sólido o pasta que se llama electrolito. El electrolito es un conductor de iones.
Cuando los electrodos reaccionan con el electrolito, en uno de los electrodos (el ánodo) se producen electrones (oxidación), y en el otro (cátodo) se produce un defecto de electrones (reducción). Cuando los electrones sobrantes del ánodo pasan al cátodo a través de un conductor externo a la pila se produce una corriente eléctrica.
Como puede verse, en el fondo, se trata de una reacción de oxidación y otra de reducción que se producen simultáneamente.
Conductor eléctrico
Se dice que un cuerpo es conductor eléctrico cuando puesto en contacto con un cuerpo cargado de electricidad transmite ésta a todos los puntos de su superficie.
Generalmente es un elemento metálico capaz de conducir la electricidad cuando es sometido a una diferencia de potencial eléctrico.
Para el transporte de la energía eléctrica el metal empleado universalmente es el cobre en forma de cables de uno o varios hilos. Alternativamente se emplea el aluminio, metal que si bien tiene una conductividad eléctrica del orden del 60% de la del cobre es, sin embargo, un material mucho más ligero, lo que favorece su empleo en líneas de transmisión de energía eléctrica.
Resistencia eléctrica
La resistencia se mide en ohmios, que se define como la resistencia de un conductor a través de la cual existe una caída de potencial de 1 voltio, cuando una corriente de un amperio fluye por él.
La resistencia es análoga a la fricción mecánica, puesto que es causada por las colisiones entre los electrones libres y átomos de un material determinado, por consiguiente, su resistencia inherente por unidad de longitud y área, se llama resistencia específica o resistividad y depende de cada material.
Diferencia de potencial
Diferencia de potencial, también denominada tensión eléctrica, voltaje o fuerza electromotriz (fem) es la energía proveniente de cualquier fuente, medio o dispositivo que suministre corriente eléctrica.
Para ello se necesita la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos o polos (uno negativo y el otro positivo) de dicha fuente, que sea capaz de bombear o impulsar las cargas eléctricas a través de un circuito cerrado.
En términos de potencial puede decirse que para que se mantenga una corriente eléctrica es necesario que exista una diferencia de potencial constante entre los extremos del conductor porque de ella depende el movimiento de las cargas libres de un punto a otro. El sentido de la corriente eléctrica depende no sólo del signo de la diferencia de potencial, sino también del signo de los elementos portadores de carga o cargas móviles presentes en el conductor.
A. Circuito eléctrico abierto (sin carga o resistencia). Por tanto, no se establece la circulación de la corriente eléctrica desde la fuente de fem (la batería en este caso). B. Circuito eléctrico cerrado, con una carga o resistencia acoplada, a través de la cual se establece la circulación de un flujo de corriente eléctrica desde el polo negativo hacia el polo positivo de la fuente de fem o batería.
Ley de ohm
Georg Simon OHM en 1827, comprobó que la corriente que fluye en un circuito eléctrico es directamente proporcional al voltaje aplicado e inversamente proporcional a la resistencia del circuito.
Poniendo este enunciado conocido como la Ley de Ohm en forma matemática puede escribirse:
En símbolos podemos poner:
El voltaje (tensión o diferencia de potencial o fuerza electromotriz) es directamente proporcional al producto de la corriente por la resistencia del circuito. Matemáticamente puede escribirse:
Sus unidades son:
El amperio (A) es la cantidad de corriente que existe cuando se produce una tensión de un voltio (V) cuando se aplica a una resistencia de un ohmio (Ω)
El ohmio (Ω es la letra griega omega mayúscula ) es la resistencia eléctrica que existe entre dos puntos de un conductor, cuando una diferencia de potencial constante de 1 voltio aplicada entre estos dos puntos, produce, en dicho conductor, una corriente de intensidad de 1 amperio.
El voltio (V) es la diferencia de potencial a lo largo de un conductor cuando una corriente de un amperio utiliza un vatio de potencia.
Circuitos de corriente continua
Un circuito eléctrico es un conjunto de componentes dispuesto de forma tal que la corriente eléctrica puede circular por cada uno de ellos. Generalmente, los circuitos están constituidos por una fuente, un conductor eléctrico y un resistor o resistencia. Por ejemplo, al conectar un bombillo a una pila por medio de un cable se forma un circuito eléctrico. En este caso, la pila es la que proporciona la diferencia de potencial gracias a la cual la corriente eléctrica puede circular por el circuito, el cable es el conductor y el bombillo es la resistencia.
El estudio cuantitativo de los circuitos eléctricos de corriente continua se efectúa como una aplicación de dos principios básicos:
El principio de conservación de la energía referido a la unidad de carga eléctrica, según el cual en todo el circuito, o en cualquier tramo de él, la energía que pierde la corriente eléctrica es igual a la energía cedida por el circuito al exterior. Es, en esencia, la ley de Ohm generalizada e interpretada como balance de energías.
El principio de no acumulación de cargas, que indica que las cargas no pueden acumularse. Eso significa que si no hay bifurcaciones, la intensidad de corriente es la misma en todo el circuito, y si las hay, la intensidad de corriente que entra en un nudo o punto de bifurcación ha de ser igual a la suma de las que salen de él.
Tales principios se conocen también como leyes de Kirchoff.
Cálculo de las resistencias en circuitos en serie y en paralelo
En serie
En paralelo
Ejemplo:
Calcular la resistencia equivalente para dos resistencias conectadas en serie y en paralelo cuyos valores son R1 = 10 Ω y R2 = 5 Ω
Solución:
Cuando las pongo en serie directamente hago:
Resistencia total = R1 + R2 → RT=10Ω + 5Ω = 15 Ohmios
Cuando las pongo en paralelo hago
Resistencia total=1/Rt=1/R1+1/R2→1/5Ω+1/10Ω=3/10=0,3Ω
IMPORTANTE: La resistencia equivalente de una conexión en paralelo siempre es MENOR QUE LA MENOR de las resistencias.
Si consideramos un circuito eléctrico sencillo, consistente de una fuente de fuerza electromotriz (fem) o voltaje por ejemplo una pila seca, una resistencia y cables conductores conectados a las terminales de la fuente de voltaje. La resistencia puede ser una lámpara, un tostador etc. y un interruptor que permite la apertura o cierre del circuito.
Observando la figura de arriba mientras el interruptor en el circuito esté en posición de abierto no está completo el sistema para que la corriente pueda fluir y se tiene lo que se conoce como circuito abierto. Tan pronto como el interruptor se lleva a la posición de cerrado, queda un formado un sistema completo, sin interrupciones a través del cual la corriente eléctrica puede fluir. Una corriente eléctrica fluye entonces desde el terminal negativo (-) de la pila seca, a través del interruptor y de la carga resistente, y regresa al terminal positivo (+) de la pila seca. En esta clase de circuito la energía eléctrica es suministrada a las terminales de la pila seca por la acción química desarrollada dentro de la pila. Mientras la fuente sea capaz de mantener una f.e.m. entre sus terminales, esa acción continúa; se detiene al agotarse la pila seca. Como la corriente fluye siempre en la misma dirección, este circuito es conocido como circuito de corriente directa (C.D.). Un circuito eléctrico es, entonces, un conjunto de distintos componentes que generan, conducen, controlan y aprovechan una corriente eléctrica.
Análisis de un circuito eléctrico
Analizar un circuito eléctrico significa determinar la intensidad, o intensidades, de corriente que circulan por él, también se deben calcular la asociación de resistencias si están en serie o en paralelo y la diferencia de potencial teniendo en cuenta el tipo de circuito. En circuitos con una sola fuente el procedimiento a seguir va a ser explicado en los ejemplos que continúan.
Supongamos que tengo un circuito formado por una pila y una resistencia. La pila empuja a los electrones y los obliga a moverse por el cable. Los electrones salen de un polo de la pila, circulan por el circuito, pasan por la resistencia y vuelven a la pila por el otro lado. Sería algo así:
La circulación de la
corriente por el
circuito es como la
circulación de agua
por un tubo.
Observamos que la corriente viaja por el circuito como si fuera agua por un tubo. A lo largo del circuito no hay "corriente que se pierde". Todo el caudal que sale, es el caudal que entra. Todas las cargas que salen por un lado de la pila vuelven a entrar por el otro lado de la pila. No hay cargas que se pierdan.
A medida que la corriente circula por un cable, pierde "voltaje". Entre las puntas de una resistencia hay una diferencia de potencial. Se la suele llamar V o VAB. Esta diferencia de potencial es la caída de potencial en la resistencia.
Diferencia de potencial de una resistencia
Si aplicamos la ley de Ohm que hemos estudiado antes podemos calcular la diferencia de potencial o voltaje empleando esta fórmula que la obtenemos despejando la ley de Ohm.
V=I∙R
También empleando a misma fórmula de Ohm calculamos la resistencia del circuito
R=V/I
Ejemplos del uso de la ley de ohm:
1 - Para el siguiente circuito calcular la corriente que circula.
Solución:
I=V/R=10V/2Ω=5A
2 - Para el siguiente circuito calcular la corriente que circula, la diferencia de potencial en cada resistencia.
Solución:
La resistencia total del circuito es Rs = 2Ω + 3Ω = 5Ω
La corriente que circula por el circuito es I=V/R=10V/5Ω=2A
Esta corriente circula por todo el circuito. Sale de la pila, pasa por la R1, pasa por la R2 y vuelve a la pila.
En cambio como el circuito es en serie, la diferencia de potencial en cada resistencia es diferente por lo vamos a usar las siguientes ecuaciones:
V=I∙R
〖 V〗_R1=I∙R_1=2A∙2Ω=4V
V_R2=I∙R_2=2A∙3Ω=6V
Notemos que las diferencias de potencial me dieron 4 volts y 6 volts. Si las sumo obtengo la diferencia de potencial total, o sea, 10 volts. La diferencia de potencial total siempre tiene que ser igual al voltaje de la pila.
3 - Para el siguiente circuito calcular la corriente que circula, la diferencia de potencial en cada resistencia, la corriente en cada resistencia.
Solución:
Acá tengo 2 resistencias en paralelo calculo la suma de ambas que es la resistencia equivalente:
1/Rt=1/R_1 +1/R_2 =1/6Ω+1/4Ω=1/(5/12)=12/5=2,4Ω
Tener en cuenta que SIEMPRE debo invertir la fracción en la suma de las resistencias en paralelo.
Ahora, es importante darse cuenta que la diferencia de potencial en las 2 resistencias es la misma. Esta caída de potencial es 10 Volt. (El voltaje de la pila).
Por lo tanto la diferencia de potencial es: VR1 = 10V y VR2 = 10V
El calculo de la intensidad de corriente en cada resistencia es:
I_1=V_1/R_1 =10V/6Ω=1,66A
I_2=V_2/R_2 =10V/4Ω=2,4A
La corriente total es la suma de las intensidades de corrientes. En este caso la I total vale:
It = 1,66 A + 2,4 A = 4,06 A
Efecto joule - potencia en circuitos eléctricos
A veces piden calcular la potencia que se gasta cuando una corriente circula por una resistencia. Se habla de potencia gastada, potencia consumida o potencia que hay que entregar. Esta potencia es la energía disipada por el rozamiento de las cargas contra el cable. Es energía que se libera en forma de calor. A este calentamiento de los cables cuando circula una corriente eléctrica se lo llama " Efecto Joule". A veces vas a ver que el enchufe de la pared está calentito. Eso pasa por el efecto Joule. Mucha corriente circuló por el enchufe y el enchufe se calentó. Lo mismo va para las lamparitas. Una lamparita se calienta por efecto Joule.
Este efecto calorífico, que estudio el científico Joule por eso lleva su nombre, puede ser explicado a partir del mecanismo de conducción de los electrones en un metal. La energía disipada en los choques internos aumenta la agitación térmica del material, lo que da lugar a un aumento de la temperatura y a la consiguiente producción de calor.
Aplicación de la ley de joule
El llamado efecto Joule; es el que se utiliza para calentar agua mediante pavas eléctricas o poniendo un dispositivo eléctrico dentro del agua, las tostadoras de pan, la plancha, todo lo que empleamos para nuestro cabello, secadores, tijeras para enrular o alisar el cabello.
Un uso importante de este descubrimiento son los fusibles domiciliarios, están realizados con un material de bajo punto de fusión (o sea se “derrite” cuando el calor es muy intenso) lo que se coloca a la entrada de la red eléctrica porque a medida que vamos enchufando aparatos electrodomésticos el flujo de electricidad por los cables aumenta, si este valor llegase a ser muy alto el metal del fusible se derrite y la luz se interrumpe. Este mismo principio es el utilizado en los disyuntores o llaves térmicas.
Por este mismo motivo se producen los incendios por cortocircuitos en las viviendas, ya que al producirse calor y luego fuego en los cables si entran en contacto con materiales combustibles de las paredes se encienden y si no hay personas que puedan apagar con extintores de incendio, el foco ígneo sigue creciendo hasta quemar todo el inmueble. Para evitar esta situación se colocan detectores de humo o calor que producen una lluvia de agua con la intención de apagar el fuego.
Este efecto es la razón por la que en las computadoras o aparatos electrónicos se colocan ventiladores para enfriar los componentes, ya que el uso continuo hace aumentar la temperatura de los dispositivos lo que resulta perjudicial para los mismos.
La calefacción eléctrica también es una aplicación de este efecto Joule.
Una forma de minimizar el efecto Joule es realizar cables más gruesos, por tal motivo los cables que transportan electricidad hacia las ciudades son de muy gruesos; lo mismo cuando tenemos electrodomésticos que consumen mucha electricidad en ese caso el cable es mucho más grueso justamente para evitar ese recalentamiento de la sección de los conductores.
Existen infinidad de aplicaciones pero como cierre la más común es la bombilla incandescente.
Consumo domiciliario de energía eléctrica
Equipos de video y de DVD, hornos de microondas, televisores, equipos de audio
Estos artefactos, salvo el televisor, tienen en común la falta de una tecla de apagado total, por lo que cuando no son utilizados quedan con el circuito primario encendido (stand by), lo que se indica mediante una lucecita roja. Si bien ese consumo de energía inútil es muy bajo, la suma del consumo inútil de todos los aparatos hace que tenga incidencia sobre nuestra boleta de electricidad.
Heladeras
El funcionamiento de las mismas está condicionado por los siguientes factores:
• Su ubicación. Las heladeras nunca deben colocarse en huecos pues, si bien queda estético desde el punto de vista arquitectónico, técnicamente se impide que el calor expulsado por la parrilla trasera, que es extraído del interior de la heladera, se disipe rápidamente; esto hace que el equipo se sobrecargue y funcione más de lo correcto.
• Su temperatura. Todas las heladeras poseen un control de temperatura, el cual regula el frío en el interior del gabinete y por lo tanto el tiempo de funcionamiento. Estas condiciones varían según sea verano o invierno. Como los termostatos poseen un disco marcado de 1 a 9 (1 = menos frío y 9 = máximo), debemos utilizarlo sabiamente para economizar energía: a menos frío en invierno corresponde menos marcha de la heladera, y un punto medio en verano es una marca óptima.
• Su mantenimiento. Debe evitarse la acumulación de hielo en el congelador, ya que esta anormalidad afecta el funcionamiento de termostato de corte y la marcha.
Debe controlarse el cierre hermético de la puerta. La misma posee un burlete elástico que impide la fuga de aire hacia o desde el compartimiento de alimentos; estas fugas traen aparejada la mayor marcha del equipo y como consecuencia un mayor consumo de energía.
Para controlar ese burlete se desliza una hoja de papel por todo el contorno, y en aquellos sectores donde el papel pasa con mucha facilidad se coloca, en el reverso de esa zona de burlete y por su cara interna, un suplemento de algodón.
Lavarropas
Es un artefacto de gran consumo de energía. Las consideraciones a tener en cuenta podrían ser:
• No cargarlo de ropa más de lo que indican las instrucciones del fabricante, ya que con ello aumentamos el consumo energético y deterioramos el artefacto.
• De ser posible, utilizarlo en horas de la tarde (de 14 a 18 horas aproximadamente), pues en ese horario disminuye el consumo ciudadano en oficinas y negocios y con ello tenemos una tensión de 220 voltios más estable, con el consiguiente mejor desempeño del artefacto y menor tiempo de uso por cantidad de ropa lavada.
• Es necesario, en aquellos lavarropas que poseen filtro de pelusa, limpiar periódicamente el mismo, ya que el estar obstruido hace que no desagote y siga funcionando la bomba que tiene para tal fin.
Acondicionadores de aire
Estos artefactos han evolucionado tecnológicamente a tal punto que los modelos modernos, a igual cantidad de frigorías o aire frío que entregan al ambiente, consumen menos de la mitad de energía eléctrica que los antiguos.
Un par de detalles a tener en cuenta son: nunca ubicar el equipo de aire acondicionado frente a la puerta de la habitación, y respetar la altura correcta de instalación. La altura óptima es 1,50 metros, medidos desde el nivel del piso hasta el borde inferior del artefacto. Con esto aseguramos una correcta distribución del aire.
Otra consideración importante es la limpieza periódica del filtro de polvo ubicado en el frente del equipo. Un filtro sucio impide que el termostato actúe correctamente, por lo que se consume más energía.
Artefactos de iluminación
El avance más significativo para el ahorro de energía lo constituyen las lámparas de bajo consumo.
Estufas eléctricas
Estos aparatos tienen un gran consumo de energía (superior a los 1000 watts = 1 kilowatts/hora), por lo que es conveniente evaluar la relación costo energético / rendimiento calórico.
Enceradoras y aspiradoras
Un truco para disminuir el consumo de las enceradoras es lustrar el piso una vez que la cera, ya sea líquida o sólida, esté seca. Con esta simple precaución ofrecemos menos resistencia al giro de los cepillos, y por consiguiente el motor necesita menos energía eléctrica para su funcionamiento.
Con respecto a las aspiradoras, lo fundamental es el cambio periódico de la bolsa recolectora de polvo, pues cuanto más llena está, más esfuerzo realiza el motor.
Debemos considerar no desperdiciar recursos sin que lo notemos, porque dilapidamos energía dejando encendidas lamparitas en habitaciones vacías, o funcionando la radio o la televisión cuando no la escuchamos o vemos, dejando encendidas la hornalla cuando no estamos cocinando, calentando más de lo necesario el agua que utilizamos en una ducha que después rebajamos con agua fría, usando el lavarropas cuando no tiene su carga completa, o usando la plancha alternativamente mientras se hacen otras actividades y dejándola conectada descuidadamente.
Nociones de seguridad respecto de la electricidad
Los organismos vivos son conductores eléctricos. La electrización tiene lugar cuando hay una diferencia de potencial entre dos puntos del organismo. Es importante subrayar que el peligro de accidentes eléctricos no surge del mero contacto con un conductor activo, sino del contacto simultáneo con un conductor activo y otro cuerpo a potencial diferente.
Los tejidos y órganos que recorre la corriente pueden experimentar una excitación funcional motora que en algunos casos es irreversible, o bien sufrir lesión temporal o permanente, en general a consecuencia de quemaduras. El grado de estas lesiones está en función de la energía liberada o de la cantidad de electricidad que atraviesa los tejidos. Así pues, el tiempo de paso de la corriente eléctrica es crítico para determinar la gravedad de la lesión.
Las consecuencias del paso de la corriente por el cuerpo pueden ocasionar desde lesiones físicas secundarias (golpes, caídas, etc.), hasta la muerte por fibrilación ventricular.
Una persona se electriza cuando la corriente eléctrica circula por su cuerpo, es decir, cuando la persona forma parte del circuito eléctrico, pudiendo, al menos, distinguir dos puntos de contacto: uno de entrada y otro de salida de la corriente.
La electrocución se produce cuando dicha persona fallece debido al paso de la corriente por su cuerpo.
La fibrilación ventricular consiste en el movimiento anárquico del corazón, el cual, deja de enviar sangre a los distintos órganos y, aunque esté en movimiento, no sigue su ritmo normal de funcionamiento.
Existe también el movimiento incontrolado de los músculos como consecuencia del paso de la energía eléctrica. Dependiendo del recorrido de la corriente perderemos el control de las manos, brazos, músculos pectorales, etc.
La asfixia se produce cuando el paso de la corriente afecta al centro nervioso que regula la función respiratoria, ocasionando el paro respiratorio.
Otros factores fisiopatológicos tales como contracciones musculares, aumento de la presión sanguínea, dificultades de respiración, parada temporal del corazón, etc. pueden producirse sin fibrilación ventricular. Tales efectos no son mortales, son, normalmente, reversibles y, a menudo, producen marcas por el paso de la corriente. Las quemaduras profundas pueden llegar a ser mortales.
Actividades de fijación de conceptos
1) Calcular la resistencia interna de un conductor, sabiendo que cuando está sometido a una diferencia de potencial de 12 volts lo atraviesa una corriente de 4 Amper.
2) Un aparato eléctrico tiene una resistencia interna de 100 ohm ¿Qué intensidad de corriente lo atraviesa cuando se conecta a una fuente de 220 volt?
3) ¿Cuál es la diferencia de potencial a que está sometida una resistencia de 1200 ohm, cuando la intensidad de corriente es de 0,2 Amper?
4) ¿Cuál es la intensidad de corriente que pasa por una resistencia de 100 ohm cuando se la conecta a 12 volt?
5) Por un conductor de 20 Ω de resistencia, circula una corriente de 0,4 A ¿Cuál es la diferencia de potencial que se produce?
6) Se conectan 2 resistencias en paralelo, si por cada una de ellas pasa una corriente de 3 A ¿Cuál es la intensidad total del circuito?
7) ¿Cuál es el valor de la corriente para el caso de que las resistencias del ejercicio anterior estuvieran conectadas en serie?
8) Dado el circuito de la figura indicar a) la intensidad que pasa por R2; b) la intensidad total; c) la diferencia de potencial en cada resistencia.
9) En el circuito de la figura indicar a) intensidad total de la corriente eléctrica b) diferencia de potencial c) la intensidad en R1 y en R2.
10) Para el siguiente circuito calcular la corriente que circula, la diferencia de potencial en cada resistencia, la corriente en cada resistencia.
11) Para el siguiente circuito calcular la corriente que circula, la diferencia de potencial en cada resistencia.
12) Para el siguiente circuito calcular la corriente que circula, la diferencia de potencial en cada resistencia.
13) Para el siguiente circuito calcular la corriente que circula, la diferencia de potencial en cada resistencia.
14) Ocho lámparas iguales se conectan en serie. La resistencia total es de 96Ω ¿Cuál es la resistencia de cada lámpara?
15) ¿Cuál es la resistencia total de un circuito que tiene conectadas en paralelo las siguientes resistencias: R1 = 2Ω R2 = 4Ω R3 = 3Ω?
16) Dos resistencias de 4Ω y 8Ω se conectan en paralelo a una fuente de 12 Voltios. Calcular:
a) Resistencia total del circuito; b) Diferencia de potencial a que está sometida cada una de las resistencias; c) Intensidad que atraviesa a cada una de ellas.
Guía de estudio sobre la electricidad
17) ¿Qué es la corriente eléctrica?
18) ¿Cuántos tipos de corriente eléctrica hay?
19) ¿Por qué se produce el transporte de carga eléctrica?
20) ¿Qué son los portadores de carga en sólidos?
21) ¿Qué son los portadores de carga en líquidos?
22) ¿Qué tipo de transformación energética se produce en una pila?
23) ¿En qué consiste una pila?
24) ¿Qué es un conductor eléctrico?
25) ¿Qué es una resistencia eléctrica?
26) ¿En qué consiste la diferencia de potencial?
27) Explica la ley de Ohm.
28) Indica las unidades de la diferencia de potencial y de la resistencia.
29) Explica el efecto Joule.
30) Menciona los usos benéficos que pueden darse al efecto Joule
31) Desarrolla los peligros que produce el efecto Joule.
32) Describe situaciones cotidianas donde se produce un derroche de energía eléctrica.
33) Establece las medidas que podemos tomar para que la heladera no produzca un gasto innecesario en electricidad.
34) ¿Qué opinión te merece el uso de las bombillas de bajo consumo?
35) ¿Cuáles son los posibles daños al cuerpo humano que puede producir una descarga eléctrica?
36) Investiga formas de protección domiciliaria o industrial de los efectos de cortocircuitos en inmuebles.
Magnetismo y materia
Imanes naturales y artificiales
Magnetismo. Polos magnéticos. Imanes naturales. Materiales ferro magnéticos. Magnetismo inducido. Líneas de campo magnético.
Seguramente has jugado o usado imanes, ya que son de uso común actualmente, tienen unas propiedades especiales que es donde vamos a focalizar su estudio.
El magnetismo es un fenómeno de naturaleza física que es una fuerza de atracción que ejerce la piedra imán o magnetita o un imán simplemente, sobre el hierro, el níquel y el cobalto. No todos los metales tienen propiedades magnéticas; el aluminio y otros metales no son atraídos por un imán. También se produce magnetismo sin la presencia de un imán, cuando hay un campo eléctrico, en sus cercanías se nota la existencia de fuerzas de origen magnético.
Cualquier tipo de imán manifiesta mucha más fuerza atractiva o repulsiva en los extremos del mismo, que reciben el nombre de polos magnéticos, en la parte media existe una zona neutra, por convención reciben el nombre de polo sur y polo norte.
Si se rompe un imán, los polos no se separan sino que se vuelven a producir imanes cada vez más pequeños que tienen sus respectivos polos norte y sur nuevamente.
Como se aprecia en la figura de arriba, los polos iguales se repelen y los diferentes se atraen. Con las flechas se simbolizan hacia dónde va la fuerza magnética.
Los imanes que manifiestan sus propiedades de forma permanente pueden ser naturales, como la magnetita (Fe3O4) o artificiales, obtenidos a partir de aleaciones de diferentes metales. Debido a las aplicaciones tecnológicas del magnetismo se han hecho imanes artificiales de bario llamados imanes cerámicos; otros imanes de aleaciones del hierro para mejorar sus efectos magnéticos como son imanes de ferrita isotrópica, compuesta por óxido de hierro y otros óxidos, imanes de alnico, formados por aleaciones de aluminio, níquel, cobalto y hierro, imanes de neodimio, son una aleación de neodimio, hierro y boro, imanes de plástico creados con una mezcla de polvo de ferrita de estroncio con caucho sintético.
Podemos decir que un imán permanente es aquel que conserva el magnetismo después de haber sido imantado. Un imán temporal no conserva su magnetismo tras haber sido imantado.
Materiales ferromagnéticos
Los materiales ferromagnéticos, son compuestos de hierro y sus aleaciones con cobalto, tungsteno, níquel, aluminio y otros metales, son los materiales magnéticos más comunes y se utilizan para maquinas eléctricas.
El ferromagnetismo no es una propiedad que depende sólo de la composición química de un material, sino que también depende de su estructura cristalina y la organización microscópica. El acero eléctrico, por ejemplo, es un material producido a escala industrial cuyas propiedades ferromagnéticas han sido optimizadas para hacer uso de ellas en aplicaciones donde se requiere el establecimiento de campos magnéticos de manera eficiente. Por el contrario existen aleaciones no magnéticas, como los tipos de acero inoxidable, compuesta casi exclusivamente de metales ferromagnéticos.
Magnetismo inducido
Si acercamos a un imán una pieza metálica susceptible de ser imantada, se observa que ésta se convierte a su vez en un imán con un polo sur cerca del polo norte del imán dado y un polo norte en el extremo opuesto, lo que comprueba por la atracción que ejerce sobre una aguja imantada u otro material magnético.
Este proceso de imantar otra pieza por cercanía de un imán recibe el nombre de magnetismo inducido o inducción magnética. Generalmente los imanes formados son temporales, ya que cuando se alejan pierden sus propiedades magnéticas.
Campo magnético
Es la zona que rodea a un imán donde se ejercen fuerzas magnéticas ya sea de atracción o de repulsión. Esta zona posee unas líneas de campo magnético que son más fuertes y acentuadas en las zonas de los polos y se debilitan a medida que nos acercamos a la zona neutra en las dos figuras siguientes se muestra el campo magnético, en el primer caso cuando se coloca un imán con limaduras de hierro que forma el denominado espectro magnético. La otra figura es un esquema didáctico para ver más claramente como se distribuyen estas líneas alrededor del imán.
Actividades de fijación de conceptos
Responder verdadero o falso y volvé a escribir las falsas de modo que resulten verdaderas.
1) Dos imanes están enfrentados por sus polos y se atraen; si diéramos vuelta los dos imanes y los enfrentamos nuevamente, se siguen atrayendo________________
2) Los polos de in imán pueden estar localizados en diferentes partes de acuerdo con el tipo de imán__________________
3) Si se acercaron dos imanes y estos se repelen, es seguro que se enfrentaron los polos nortes de cada uno___________________
4) No hay ninguna manera de saber si en un lugar existe o no un campo magnético___________
5) El espectro magnético representa las líneas de fuerza del campo magnético___________
6) El campo magnético es la región que rodea a un imán____________
7) Puedo mover unos clavos de bronce con un imán_____________
8) El magnetismo inducido produce imanes permanentes_______________
9) Los materiales ferromagnéticos no sufren oxidación_________
10) La magnetita es un imán artificial__________
11) Al partir un imán uno queda con un polo norte y el otro con un polo sur_______
Responde el siguiente cuestionario
12) ¿Qué nombre recibe el espacio que rodea a un imán?
13) Nombra la zona del imán donde el efecto de las fuerzas magnéticas es menor.
14) ¿El proceso de convertir un objeto de hierro en un nuevo imán que nombre recibe?
15) Las zonas extremas de un imán ¿Qué son?
16) ¿Qué me indica que dos polos al acercarse se repelen entre sí?
17) ¿Cuál es la piedra que posee en forma natural propiedades magnéticas?
18) Además de un imán de que otra manera se puede crear un campo magnético.
19) ¿Qué es un espectro magnético?
20) ¿Qué metales componen las aleaciones de los materiales ferromagnéticos?
21) Nombra y explica tres tipos de imanes artificiales.
22) ¿Para qué se utiliza el acero eléctrico?
Completar las siguientes oraciones con la definición estudiada
23) La fuerza de atracción o repulsión que ejerce un imán se denomina_____________________
24) La magnetita es un tipo de imán___________________
25) Los imanes de neodimio son un tipo de imanes____________________
26) El imán que conserva su magnetismo después de alejarlo del imán es un imán______________
27) El ______________________no es una propiedad que dependa de su composición química
28) La zona donde se ejercen fuerzas magnéticas está formado por_________________________
29) Cuando levanto una serie de clips con un imán se ha producido_______________________
30) Dos polos de un imán se atraen, son polos_______________________________________
31) Al producirse la rotura de un imán se producen____________________________________
32) Las limaduras de hierro en presencia de un imán forman un__________________________
33) Para pegar imanes a una chapa la misma debe estar hecha de________________________
Magnetismo y aplicaciones
Brújulas. Polos geográficos y magnéticos. Campo terrestre. Noción de declinación magnética. Navegación. Interacción con corrientes eléctricas. Electroimanes. Motores eléctricos.
Brújula
La brújula se cree que fue inventada en China, aproximadamente en el siglo IX, e inicialmente consistía en una aguja imantada flotando en una vasija llena de agua. Más adelante fue mejorada para reducir su tamaño e incrementar su practicidad, cambiándose la vasija de agua por un eje rotatorio, y añadiéndose una “rosa de los vientos” que sirve de guía para calcular direcciones. Actualmente las brújulas han recibido pequeñas mejoras que, si bien no cambian su sistema de funcionamiento, hacen más sencillas las mediciones a realizar.
El funcionamiento de la brújula que es un instrumento que sirve de orientación y que tiene su fundamento en la propiedad de las agujas magnetizadas. Por medio de una aguja imantada señala el Norte magnético, que es diferente para cada zona del planeta, y distinto del Norte geográfico. Utiliza como medio de funcionamiento el magnetismo terrestre.
En la actualidad la brújula está siendo reemplazada por sistemas de navegación más avanzados y completos (GPS), que brindan más información y precisión; sin embargo, aún es muy popular en actividades que requieren alta movilidad o que impiden, debido a su naturaleza, el acceso a energía eléctrica, de la cual dependen los demás sistemas.
El Polo Norte geográfico es uno de los dos lugares de la superficie del planeta coincidente con el eje de rotación; es opuesto al Polo Sur. Está situado en el Océano Ártico, donde el mar está cubierto por un casquete de hielo.
El Polo Norte magnético terrestre actualmente está situado a unos 1.600 km del polo Norte geográfico, cerca de la isla de Bathurst, en la parte septentrional de Canadá, en el territorio de Nunavut.
El Polo Sur Geográfico es definido como uno de los dos puntos donde el eje de rotación de la Tierra intercepta con su superficie. Sin embargo, el eje de rotación terrestre es susceptible a cambios, por lo que esta definición no es completamente precisa.
En la Tierra está situado sobre la Antártida, a aproximadamente 2.600 km del polo sur magnético. Está situado sobre una meseta llana, helada y ventosa a 2.835 m de altitud sobre el nivel del mar.
El Polo Sur Magnético se define como el lugar donde el campo magnético del planeta es perpendicular a la superficie, y es un sitio muy cercano al polo sur geomagnético y al polo sur geográfico, aunque en un sentido estrictamente magnético es un polo norte, hacia el cual apunta el polo sur de una brújula.
El origen del campo magnético terrestre son los movimientos de metales líquidos en el núcleo del planeta. Dicho campo se extiende desde el núcleo atenuándose progresivamente en el espacio exterior, con efectos electromagnéticos conocidos en la magnetósfera que nos protege del viento solar.
Además permite fenómenos muy diversos como la orientación de las rocas en las dorsales oceánicas, la magnetorrecepción de algunos animales y la orientación de las personas mediante brújulas.
La forma de propagarse las ondas sísmicas nos dicen que la Tierra tiene en el centro un núcleo líquido denso, que ocupa la mitad del radio terrestre, y dentro de este un núcleo interno sólido. Se cree mayoritariamente que su centro está constituido de hierro fundido, posiblemente mezclado con níquel y azufre. La densidad aparenta ser la adecuada, y el hierro, que de entre todos los elementos es el que tiene el núcleo más estable, abunda en el universo. Se concentra en el centro de la Tierra que se comporta como un gigantesco imán ubicado en su centro, cuyo eje está inclinado unos 11º respecto al eje de rotación, lo cual genera líneas de fuerzas magnéticas que entran por el polo norte magnético (cerca del polo norte geográfico), penetran hacia dentro de la Tierra y salen por el polo sur magnético.
La declinación magnética en un punto de la Tierra es el ángulo comprendido entre el norte magnético local y el norte verdadero (o norte geográfico). En otras palabras, es la diferencia entre el norte geográfico y el indicado por una brújula (el denominado también norte magnético).
Por convención, a la declinación se le considera de valor positivo si el norte magnético se encuentra al este del norte verdadero, y negativa si se ubica al oeste.
Determinación de la posición con el sistema GPS (sistema de posicionamiento global)
Los satélites del GPS describen orbitas a gran altura sobre la Tierra, en ubicaciones precisas.
Permiten que el usuario de un receptor de GPS determine en forma exacta su latitud, longitud y altitud. El receptor mide el tiempo que tardan en llegar las señales enviadas desde los diferentes satélites a partir de esos datos, el receptor triangula la posición exacta. En todo momento cada punto de la tierra recibe cobertura de varios satélites. Se necesitan tres satélites para determinar la latitud y la longitud, mientras que un cuarto satélite es necesario para determinar la altitud.
La posición tridimensional (latitud, longitud y altitud), conocida como 3D, requiere cuatro satélites a la vista, mientras que la bidimensional (latitud y longitud), llamada 2D sólo necesita tres. La mayoría de los receptores GPS pueden recibir y procesar hasta ocho satélites simultáneamente, aunque la recepción de un mínimo de tres, permite la navegación terrestre o marítima, prácticamente las 24 horas del día en cualquier lugar de la Tierra.
Interacción de campos magnéticos y la electricidad
En el año 1820 el científico Oersted descubrió que una varilla imantada, que podía girar libremente, se desviaba al pasar la corriente eléctrica por un conductor próximo. Es decir, una corriente eléctrica produce efectos magnéticos cambiando la orientación de la varilla imantada. El propio Oersted acuñó el término "Electromagnetismo" para la rama de la Física que englobaría desde entonces la Electricidad y el Magnetismo.
Las interacciones eléctrica y magnética están íntimamente relacionadas, siendo en realidad sólo dos aspectos diferentes de una misma propiedad de la materia: su carga eléctrica. El magnetismo es un efecto del movimiento de las cargas eléctricas.
Las interacciones eléctrica y magnética deben considerarse bajo la descripción más general de interacción electromagnética.
Electroimanes
Un electroimán es un tipo de imán en el que el campo magnético se produce mediante el flujo de una corriente eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha corriente.
Considerando lo explicado anteriormente, del descubrimiento del físico danés Hans Christian Ørsted, que una corriente eléctrica que circula por un conductor produce un efecto magnético que puede ser detectado con la ayuda de una brújula. El físico Estadounidense Joseph Henry inventó el electroimán en 1825. El primer electroimán era un trozo de hierro con forma de herradura envuelto por una bobina enrollada sobre él. Henry envolvió los cables por los que hizo circular la corriente de una batería. Henry podía regular su electroimán, lo que supuso el principio del uso de la energía eléctrica en máquinas útiles y controlables, estableciendo los cimientos para las comunicaciones electrónicas a gran escala.
El tipo más simple de electroimán es un trozo de alambre enrollado alrededor de tubo recto (parecido a un tornillo) se llama solenoide, y cuando además se curva de forma que los extremos coincidan se denomina toroide. Pueden producirse campos magnéticos mucho más fuertes si se sitúa un «núcleo» de material ferromagnético (acero eléctrico) dentro de la bobina. El núcleo concentra el campo magnético, que puede entonces ser mucho más fuerte que el de la propia bobina.
Los electroimanes se usan en muchas situaciones en las que se necesita un campo magnético variable.
Los electroimanes son los componentes esenciales de muchos interruptores, siendo usados en los frenos y embragues electromagnéticos de los automóviles. En los frenos electromagnéticos de los trenes, se adhieren directamente a los rieles. Se usan electroimanes muy potentes en grúas para levantar pesados bloques de hierro y acero, y para separar magnéticamente metales en chatarrerías y centros de reciclaje. Los trenes de levitación magnética usan poderosos electroimanes para flotar sin tocar la pista. Algunos trenes usan fuerzas atractivas, mientras otros emplean fuerzas repulsivas.
Los electroimanes se usan en los motores eléctricos rotatorios para producir un campo magnético. Aunque la plata es el mejor conductor de la electricidad, el cobre es usado más a menudo debido a su relativo bajo costo, y a veces se emplea aluminio para reducir el peso.
Motores eléctricos
Un motor eléctrico es una máquina eléctrica que transforma energía eléctrica en energía mecánica por medio de campos electromagnéticos variables. Algunos de los motores eléctricos son reversibles, pueden transformar energía mecánica en energía eléctrica funcionando como generadores. Los motores eléctricos de tracción usados en locomotoras o en automóviles híbridos realizan a menudo ambas tareas, si se los equipa con frenos regenerativos.
Son muy utilizados en instalaciones industriales, comerciales y particulares. Pueden funcionar conectados a una red de suministro eléctrico o a baterías.
Actividades de fijación de conceptos
1) Investiga en Internet que es la Rosa de los Vientos; con esa información guiándote por la salida del sol en tu casa, expresa que orientación tiene tu casa con respecto a los puntos cardinales.
2) ¿La utilización de la brújula se realiza para detectar los polos geográficos?
3) Necesariamente se sigue actualmente utilizando la brújula para guiarnos en lugares desconocidos.
4) Indica si el polo sur geográfico y magnético se encuentra en el continente Ártico.
5) ¿Qué distancia separa los polos geográficos de los magnéticos?
6) Explica lo que se cree que origina el campo magnético terrestre.
7) Existiría la vida sobre la tierra si el campo magnético desapareciese.
8) Además del ser humano mediante la brújula quienes más usan el magnetismo para orientarse.
9) Explica que es la declinación magnética
10) En la navegación mediante GPS ¿un solo satélite nos permite ubicarnos en la posición indicada?
11) ¿Cómo se produce el electromagnetismo?
12) ¿En qué consiste un electroimán?
13) ¿Para qué sirve un electroimán?
14) ¿Qué es un motor eléctrico?
15) ¿Qué motores eléctricos se utilizan en tu domicilio? Describe en que dispositivos o electrodomésticos se usan.
16) Averiguar por internet que dispositivos tienen electroimanes.
Fuerzas y campos
Fuerzas, Interacciones y campos
Las fuerzas y las presiones como medida de las interacciones. Interacciones de contacto y a distancia. Representación de fuerzas. Unidades. Uso elemental de vectores para representar fuerzas. Diagramas de fuerzas. Fuerza resultante. Noción de campo de fuerzas. Representación del campo. Líneas de campo eléctrico y magnético.
Fuerzas y campos Fuerzas, Interacciones y campos
Las fuerzas en el Universo de Renée César Magnetti y Magdalena Lía Basso
Fue Newton quien calculó la fuerza gravitatoria que actúa entre la Tierra y la Luna, pero además amplió el concepto de atracción gravitacional a todos los objetos del Universo.
En 1932 Heinsenberg propuso la existencia de fuerzas entre protones y neutrones. Así, diferentes trabajos experimentales han permitido descubrir que existen cuatro fuerzas fundamentales que interaccionan entre las partículas que constituyen la materia, estas cuatro fuerzas son: fuerza gravitatoria, fuerza electromagnética, fuerza nuclear fuerte y fuerza nuclear débil. Todo lo que ocurre en el Universo está relacionado con algunas de estas cuatro fuerzas.
La fuerza gravitacional es la más débil de todas las mencionadas, tiene un gran alcance y es la más conocida. Todas las partículas del Universo están sujetas a esta fuerza, siendo además la responsable de que la Tierra se mueva alrededor del Sol y de la existencia de sistemas planetarios y galácticos. La fuerza gravitatoria, que solamente manifiesta atracción, domina al Universo.
La fuerza electromagnética tiene similar alcance que la gravitatoria pero resulta más fuerte que ésta. Se manifiesta en las partículas atómicas y por lo tanto ejerce fuerzas de atracción y repulsión. La fuerza electromagnética es la responsable de que la materia se mantenga unida ya que actúa en los átomos y las moléculas. Las fuerzas que se manifiestan entre las cargas eléctricas y los imanes corresponden a interacciones electromagnéticas.
Fuerza nuclear fuerte, si bien de todas las fuerzas conocidas es la más intensa, tiene un corto alcance ya que sólo se manifiesta a distancias nucleares. Es la que permite mantener unidos a los protones y neutrones.
Fuerza nuclear débil, como su nombre lo indica es más débil que la anterior y también actúa a distancias nucleares. Interviene en los fenómenos radiactivos.
En un breve resumen se podría indicar que la fuerza gravitatoria actúa sobre todas las partículas con masa, la electromagnética afecta solamente a las partículas cargadas, la interacción fuerte a las partículas atómicas con masa, como protones y neutrones y la interacción débil a las partículas atómicas con masa despreciable, como el electrón.
La fuerza es todo aquello capaz de producir un movimiento, una deformación o una presión, es por lo tanto la interacción entre dos cuerpos; describe la acción de un cuerpo sobre otro. Esta puede cambiar de forma el cuerpo o cambiar la dirección o sentido del mismo.
Aparecen siempre de a pares; una fuerza en cada uno de los cuerpos que interactúan.
Pueden ser:
Fuerzas de contacto: un golpe de martillo sobre un clavo, cuando empujamos un cuerpo.
Fuerzas a distancia: la atracción o repulsión entre dos imanes
Unidades
La unidad de medida en el SI es el newton (N) y equivale a kgm/s2. Por lo tanto newton 1N = 1kgm/s2
Otra unidad de medida de fuerzas es el kilogramo fuerza (kgf), se establece que un kilogramo fuerza equivale a 9,8 Newton.
La magnitud de la fuerza se mide con un dinamómetro, que consiste en un resorte que se deforma proporcionalmente a la carga que soporta por medio de una escala graduada en kilogramos fuerza (kgf).
Introducción a los vectores
Una magnitud escalar es aquella que solo tiene un número, como por ejemplo, el tiempo, el volumen, la masa y la densidad de los cuerpos, el trabajo, la cantidad de dinero, etc.
Una magnitud vectorial es aquella que además del número, posee dirección y sentido, por ejemplo:
1) El desplazamiento: Un avión que vuela a una distancia de 160 km hacia el sur.
2) La velocidad: Un barco que navega a 20 m/seg hacia el este.
3) La fuerza: Una fuerza de 10 Newton aplicada a un cuerpo según la vertical y con sentido hacia arriba.
Una magnitud vectorial se representa por un vector que es un segmento orientado con la forma de una flecha, a una cierta escala. La longitud de la flecha representa el tamaño del vector, en el caso de la fuerza la intensidad. La línea sobre la que se encuentra es la dirección del vector y el sentido es el indicado por la punta de la flecha. El punto de aplicación es donde comienza la flecha e indica donde se produce la fuerza.
O es su punto de aplicación y el origen del vector
S es el sentido, está dado por punta de flecha
I la intensidad o tamaño de vector; es el largo del vector, medido en alguna escala
D es la dirección, está dada por la recta por donde el vector puede desplazarse
El vector resultante (R) de un sistema, es un vector único que produce los mismos efectos que todos los dados.
El vector equilibrante (E) de un sistema dado, es un vector único capaz de compensar la acción de todos los vectores, actuando simultáneamente. Tiene el mismo tamaño y dirección que el vector resultante, pero de sentido contrario.
Los vectores se suman por métodos geométricos.
Según sea la forma de ubicación de los vectores que representan a las fuerzas, se usan diferentes métodos geométricos, ¿por qué decimos geométricos? Debido a que es necesario usar la forma de traslación de los vectores mediante paralelas usando regla y escuadra. Es importante no olvidar que primero debemos establecer la escala empleada.
Para representar a escala simplemente elegimos de acuerdo a nuestro criterio y conveniencia el tamaño de los vectores que vamos a dibujar.
Por ejemplo si tenemos un vector que mide 200 N elegimos una escala que nos diga que un centímetro equivale a 100 N o a 50 N de acuerdo a cuán grande queremos que sea nuestro vector. Si elegimos que 100 N = 1 cm entonces dibujaremos un vector de 2 cm; si hubiésemos elegido que 50 N = 1 cm entonces dibujaremos un vector de 4 cm.
Lo primero que vamos a graficar son sistemas de fuerzas colíneales que se presentan cuando movemos cajas como lo muestra la figura que sigue:
Notamos que los vectores a representar estas fuerzas están en la misma dirección pero en el primer dibujo tienen el mismo sentido mientras que en el segundo dibujo tienen sentido contrario.
Vectores en igual dirección y sentido (sistema de fuerzas colíneales)
F1 = 4 N F2 = 6 N F3 = 2 N La escala empleada es 1 N = 1 cm nos queda entonces:
Trasladamos a continuación un vector después del otro y trazamos la resultante que resulta la suma de los vectores dados:
En el siguiente ejemplo tenemos vectores en la misma dirección pero en sentido contrario (recuerda que la punta de la flecha me indica el sentido del vector)
La escala empleada sigue siendo la misma que para el ejemplo anterior, el signo negativo me avisa que debo dibujarlo en forma opuesta a los otros vectores
Nuevamente trasladamos las fuerzas con los sentidos indicados y hacemos el cálculo.
Al estudiar electricidad y magnetismo vimos como se atraían o repelían las fuerzas eléctricas o magnéticas, eso lo representamos en el siguiente gráfico como otro ejemplo de fuerzas colíneales.
Vectores en forma paralela (sistema de fuerzas paralelas)
Como vemos en la figura de arriba ambos animales tiran hacia adelante, (el sentido) y uno al lado del otro (paralelamente). Entonces tenemos fuerzas paralelas en igual sentido.
Cuando dibujamos el sistema de fuerzas paralelas, suponemos que un animal es más grande y fuerte por lo que hace más fuerza que el otro, por lo tanto un vector es más grande que el otro.
Para calcular la resultante, simplemente trasladamos los vectores que representan las fuerzas, como lo indica el grafico que sigue a continuación y luego unimos los vectores trasladados y el punto de intersección entre la recta formada y la distancia es el punto de aplicación del vector resultante del lado de la fuerza mayor.
En el caso que sean fuerzas paralelas de distinto sentido, esto se produce cuando tratamos de abrir una escotilla circular como es el caso de la figura que sigue:
Realizamos el gráfico nuevamente considerando una fuerza mayor a la otra, paralelas pero en sentido opuestos.
Luego procedemos a trasladar las fuerzas tal como lo muestra la siguiente figura y trazamos la resultante del lado de la fuerza mayor.
Vectores en sistemas de fuerzas concurrentes
Ahora vamos a analizar sistemas de fuerzas concurrentes ya sea que se unen en un solo punto o se encuentran aisladas y al trasladarlas con paralelas formamos un sistema concurrente.
Método del paralelogramo para la suma vectorial. La resultante de dos vectores cuyas direcciones forman un ángulo se representa por un vector cuya dirección es la diagonal del paralelogramo formado con los vectores dados y cuyo origen coincide con el común de ambos.
Nuevamente observemos para el caso de dos cargas puntuales como se trasladan los vectores que representan a la fuerza eléctrica y el cálculo de la resultante mediante el método del paralelogramo.
Método del polígono para la suma vectorial. Este método de hallar el vector resultante de tres o más fuerzas, consiste en:
1) Tenemos un sistema de 3 fuerzas:
2) Trasladar a escala empleando trazado de paralelas, y a partir generalmente del primer vector que no se traslada, cada uno de los restantes vectores dados, uno a continuación del otro de forma que el origen de uno de ellos coincida con el extremo del anterior:
3) Se une el punto de partida con la punta de flecha del último vector trasladado; este es el vector resultante R, cuya longitud me indica el tamaño del vector resultante.
Observemos en las siguientes figuras que tenemos más de tres vectores como se forma el polígono.
En el siguiente sistema de fuerza hemos trazado la equilibrante para mantener el sistema en equilibrio. Realizamos los pasos explicados anteriormente.
a)
b)
c)
Interacciones entre presión y fuerza
Cuando analizamos la fuerza desde el punto de vista gravitatorio, notamos que es la acción que un cuerpo ejerce sobre otro y generalmente lo denominamos peso, este peso depende en gran medida del valor que tiene la gravedad y de la masa del cuerpo que es pesado, así podemos decir que es la medida de la fuerza que lo atrae a la tierra, es decir, la fuerza de gravedad.
Esta fuerza va a incidir en la presión que ejercemos por lo cual podemos decir que a mayor fuerza mayor presión, la otra variable que incide en la presión es la superficie, que es una relación inversamente proporcional, ya que a mayor superficie, menor presión.
¿Cómo apreciamos esto en la vida cotidiana? Muy sencillamente, cuando nos paramos sobre el colchón éste se hunde mucho más que cuando estamos acostados sobre él. La razón: al estar parados la superficie que ejerce la fuerza gravitatoria de nuestro peso son el tamaño de nuestros pies, en cambio al estar acostados, la superficie es mucho mayor por lo que la presión (lo que se hunde del colchón) es mucho menor.
Definimos presión: Cociente entre la fuerza aplicada sobre una superficie o área
Presión=Fuerza/Superficie
Decimos que en una región del espacio existe un campo creado por una magnitud física si es posible asignar en cada instante un valor a dicha magnitud para todos los puntos de dicha región. Cuando la magnitud que define el campo es una fuerza, se llaman campos de fuerzas.
Campo gravitatorio central
Campo uniforme eléctrico
Campos uniforme magnético
Campo gravitatorio
Campo de fuerza eléctrico que no es uniforme
Actividades de fijación de conceptos
Guía de estudio sobre las fuerzas del universo
1) ¿Qué científico inglés descubrió que existía una fuerza en el universo? ¿Cuál fuerza es la descubierta?
2) ¿Quién propuso que la existencia de una fuerza nuclear?
3) ¿Cuáles son las cuatro fuerzas fundamentales que constituyen la materia?
4) Explica cada una de las fuerzas mencionadas en la pregunta anterior.
5) ¿Qué fuerza impide que la luna se precipite sobre la tierra?
6) ¿Qué fuerza nos permite tomar la materia entre nuestras manos?
7) ¿Qué fuerza actúa dentro del núcleo del átomo?
8) ¿Cuál fuerza actúa con los electrones del átomo?
9) Escala 60 N = 1 cm Vertical; F1 = 180 N y F2 = 300 N hacia abajo; F3 = 120 N y F4 = 240 N hacia arriba.
10) Escala 35 N = 1 cm Horizontal; F1 = 105 N y F2 = 35 N hacia la izquierda; F3 = 70 N y F4 = 140 N hacia la derecha.
11) Escala 5 N = 1 cm Horizontal; F1 = 25 N y F2 = 10 N hacia la derecha; F3 = 30 N y F4 = 15 N hacia la izquierda.
12) Escala 14 N = 1 cm Vertical; F1 = 42 N y F2 = 28 N hacia arriba; F3 = 56 N y F4 = 70 N hacia abajo.
13) Escala 3 N = 1 cm Horizontal; F1 = 12 N, F2 = 15 N y F3 = 18 N hacia la derecha F4 = 9 N,
F5 = 6 N F6 = 21 N hacia la izquierda.
14) Hallar gráficamente la resultante y la equilibrante del siguiente sistema de fuerzas concurrentes en el cual F1 = 150 N es horizontal hacia la derecha, F2 = 300 N en forma vertical hacia abajo. Establecer escala empleada.
15) En un cinchada con una soga, tiran hacia la izquierda 2 personas que pesan 70 Kgf y 90 Kgf y hacia la derecha 2 personas que pesan 120 Kgf y 80 kgf Hallar gráficamente la resultante del sistema indicando la escala empleada.
16) Dos fuerzas paralelas de igual sentido se ubican a una distancia de 5 metros una de otra. Las fuerzas son: F1 = 50 N y F2 = 25 N. Calcular gráficamente la resultante del sistema. Indicar claramente la escala escogida para representar a las fuerzas y a las distancias.
17) Dos fuerzas paralelas de distinto sentido se ubican a una distancia de 15 metros una de otra. Las fuerzas son: F1 = 100 N y F2 = 200 N. Calcular gráficamente la resultante del sistema. Indicar claramente la escala escogida para representar a las fuerzas.
18) Un barco navega hacia el sur con una velocidad de 140 km/h sabiendo que la velocidad de la marea es de 70 km/h y se dirige hacia el este, calcular gráficamente el vector resultante.
19) Un bloque de piedra que mide 10 metros, es movido hacia delante de los extremos por dos grúas que ejercen fuerzas de 150 kgf y de 100 kgf. Determinar gráficamente la resultante.
20) Una de las dos fuerzas paralelas de sentidos contrarios vale 15 kgf, la otra es de 30 kgf y está aplicada a 5 metros de la primera. Determinar gráficamente la resultante.
21) Hallar la resultante y la equilibrante en forma gráfica de un sistema de tres fuerzas siendo F1 = 100 kgf horizontal derecha, F2 = 250 kgf vertical hacia abajo, F3 = 350 kgf vertical hacia arriba.
22) Para construir las pirámides se sostenía que los bloques de piedra eran tirados por una serie de esclavos con una única soga, suponiendo que tuviésemos 180 esclavos donde cada tercio de ellos ejercen fuerzas de 75 kgf, 95 kgf y 105kgf, respectivamente. ¿Cuánta fuerza ejercía el bloque para que no se moviera?
23) 7 niños divididos en dos bandos, tiran de los extremos de una soga, dispuestos 3 de un lado y 4 del otro. En el primer bando, los niños ejercen fuerzas de 35 N, 40 N y 50 N cada uno, mientras que en el otro, las fuerzas son de 15 N, 25 N, 45 N y 10 N. ¿Quiénes gana y con qué fuerza arrastra a los otros? (Escala 1 cm = 10 N).
24) ¿Cuál es la resultante de 2 fuerzas de 30 N y 40 N, si forman un ángulo recto?
25) Hallar la resultante del siguiente sistema de 2 vectores mediante el método del paralelogramo:
26) Hallar la resultante del siguiente sistema de fuerzas compuesto de 3 vectores mediante el método de la poligonal
27) Completar los cuadros
a) b)
Superficie
[m2] Fuerza
[N] Presión
[Pa]
2 m2 2 N
2 m2 4 N
2 m2 6 N
2 m2 8 N
2 m2 10 N
Fuerza
[N] Superficie
[m2] Presión
[Pa]
12 N 1 m2
12 N 2 m2
12 N 3 m2
12 N 4 m2
12 N 6 m2
28) Un niño pesa 45 Newton. La superficie de apoyo de uno de sus zapatos es de 100 cm2. Calcula la presión ejercida en los siguientes casos:
a) cuando está parado, apoyado sobre los dos pies.
b) cuando está apoyado en un solo pie.
c) al pararse en puntas de pie, siendo la superficie de apoyo una quinta parte de ambos pies.
