Introducción a la Química

1. LA QUÍMICA1.1. Concepto .- La química es una ciencia natural experimental que se encarga del estudio de la

materia constituida por átomos: su composición, su estructura, sus propiedades, sus transformaciones y los cambios de energía que acompañan a dichas transformaciones.

1.2. Clasificación .- Para una mejor comprensión del amplio campo de la química podemos dividirla en las siguientes ramas:a. Química General.- Estudia las leyes, principios y teorías que rigen a las sustancias y que

son aplicadas a todas las ramas de la química.

b. Química Inorgánica.- Estudia a todas las sustancias que no tengan carbono con excepción: CO, CO2, H2CO3, bicarbonatos (HCO3

—), carbonatos (CO32-), cianuros (CN-),

cianatos (NCO-); es decir la materia inerte o inanimada.

c. Química Orgánica.- Estudia las sustancias que contienen carbono. Ejm: los componentes de la materia viva.

d. Química Analítica.- Se encarga de desarrollar técnicas y procedimientos para el conocimiento de sustancias. Q. A. Cualitativa.- identifica el tipo o tipos de elementos o iones que forman parte

de la composición de una sustancia. Ejm: determinación de la presencia de cationes y aniones en una muestra.

Q. A. Cuantitativa.- Determina la cantidad de cada elemento o ión que forma parte de un compuesto o sustancia. Ejm: el análisis químico volumétrico.

e. Fisicoquímica (Química Física).- Estudia la rapidez (cinética) con que ocurren las reacciones y el papel del calor en los cambios químicos (termodinámica).

f. Bioquímica (Química Biológica).- Estudia las reacciones (transformaciones) químicas que ocurren en un organismo vivo; debido a que todas las funciones que se desarrollan en los organismos vivos implican reacciones químicas. Ejm: el fenómeno de la fotosíntesis en las plantas, el proceso de digestión, el metabolismo de plantas y animales, el ciclo de los seres vivos, la respiración, circulación, reproducción, etc..

g. Química Nuclear.- Estudia las reacciones que se producen en el núcleo de los átomos. Ejm: fisión y fusión nuclear.

1.3. Importancia .- Consideramos las aplicaciones de la química sobre otros dominios científicos en las disciplinas de ingeniería, en la vida diaria, así como en el desarrollo de la humanidad. a. En Medicina.- Fabricación de anestésicos, antibióticos, antisépticos, jarabes, fármacos,

hormonas, prótesis, siliconas, sueros, sulfas, vacunas, etc., que salvan y prolonga la vida. El uso de sustancias radiactivas (Quimioterapia); los isótopos radiactivos facilitan el seguimiento de procesos vitales.

b. En Agricultura.- Fabricación de abonos y fertilizantes artificiales, funguicidas, herbicidas, insecticidas, plaguicidas, análisis de la composición de suelos y del agua para una mejor producción.

c. En Metalurgia.- Desarrollo de técnicas y procedimientos para la obtención y refinación de metales, producción de aceros y otras aleaciones.

d. En la Alimentación.- El uso de sustancias químicas como aditivos, colorantes de uso alimentario, enlatados, embutidos y conservas, gaseosas, preservantes de los alimentos, proteínas y vitaminas sintéticas, vinos, y bebidas diversas, saborizantes, etc.

e. En Industria.- Fabricación de sustancias útiles para el hombre: ácidos y álcalis, azúcar (sacarosa) (cooperativas) , alcohol (alcoholeras), caucho sintético, cemento, cueros, combustibles, cosméticos, detergentes, fibras sintéticas (nylon y rayón), lubricantes, materiales de construcción (FORTEX: ladrillos), pinturas y lacas, plásticos, polímeros, siliconas, úrea, vidrio, etc.

f. Fuente de energía.- A partir de la energía atómica, el uso de la energía nuclear, fotoquímica, petróleo, y sus derivados, nuevos combustibles como el carbón mineral, gas natural, y biogás.

g. Industria bélica.- Fabricación de: bomba de hidrógeno, bomba de neutrón, bombas nucleares, explosivos, gases tóxicos, etc. Que el mundo civilizado no tiene necesidad de usar.

h. Grandes adelantos técnicos.- Construcción de naves y satélites artificiales, grandes aviones a reacción.

241

Medios mecánico

s

2. LA MATERIA2.1. Términos fundamentales :

a. Cuerpo.- Porción limitada de materia que tiene masa y forma determinada. Ejm: una tiza, un libro, etc.

b. Masa.- Cantidad de materia que posee un cuerpo o sustancia. Oposición que ofrecen los cuerpos a las modificaciones de su estado de movimiento o de reposo (inercia). Químicamente peso y masa son sinónimos.

2.2. Definición.- Es todo lo que se encuentra en el universo, tiene masa e inercia. La definición de materia conduce a una clasificación dual:a. Materia común (ordinaria, condensada, concentrada, sustancial o materia

propiamente dicha).- Materia que tiene masa tanto en reposo como en movimiento. Ocupa un espacio. Compuesta de átomos. Todo aquello que tenga una velocidad menor que la de la luz. Ejm.: agua, aire, galaxias, estrellas, tierra, mares, ríos cerros, sulfato cúprico, etc.

b. Energía (materia disipada, no sustancial).- Es aquella que posee masa a la velocidad de la luz.

Materia que no tiene masa en reposo, sólo en movimiento. Compuesta de cuantos o fotones, los cuantos son mas diminutos que los átomos. Ejm.: las radiaciones electromagnéticas, tales como: luz visible, ondas de radio, ondas de televisión, ondas de radar, rayos infrarrojos (IR), rayos ultravioletas (UV), rayos x, rayos cósmicos, etc.

Rayos Cósmic

os

Rayos

Rayos X

Rayos UV

Luz visibl

e

Rayos IR

Micro- ondas

Ondas de radar

Ondas de TV

Ondas de radio

Micro pulsacion

es

VIOLETA

AZUL

VERDE

AMARILLO

NARANJA

ROJO

2.3.Propiedades:Se pueden clasificar según los siguientes criterios:a. De acuerdo al estado físico en que se presenta:

a.1.Generales.- Aquellas que se presentan en todos los estados físicos. Ejemplos: - Masa o peso - Indestructibilidad

- Extensión o volumen - Atracción- Inercia - Divisibilidad - Impenetrabilidad - Temperatura- Densidad

Masa.- Cantidad de materia que posee un cuerpo o sustancia. Extensión.- propiedad de un cuerpo de ocupar un espacio o volumen. Ejm: una tiza,

un libro, una piedra. Inercia.- Es la tendencia que tiene un cuerpo para permanecer en reposo o en

movimiento uniforme. Indestructibilidad.- Lavoisier: “propiedad por la cual la materia no se crea ni se

destruye solo se transforma”. Impenetrabilidad.- El espacio ocupado por un cuerpo no puede ser ocupado por

otro al mismo tiempo. Ejm: si agregamos una piedra en un vaso lleno de agua, ésta se derrama.

Divisibilidad.- la materia se puede dividir: cuerpo, partícula, molécula, átomo y partículas subatómicas.

242

= 3900

= 7500

E

Ondas Hertzianas

Medios físicos

Medios químicos

Medios magnéticos o nucleares

bombardeos nucleares

cortar, triturar, ebullición, disolución reacciones químicas pulverizar, limar, martillar

Atracción.- propiedad de un cuerpo de ser atraído por otro. Gravitación: atracción entre astros Gravedad: atracción entre la tierra y los cuerpos. Se relaciona con el Peso (P = mg). Adhesión: atracción entre moléculas de cuerpos diferentes. Ejm.: la tinta con el papel,

pintura que cubre un objeto, lápiz o tiza con que se escribe, líquidos que mojan a los sólidos.

Cohesión: atracción entre moléculas de cuerpos iguales. Afinidad: atracción entre átomos.

Temperatura.- Grado de agitación molecular. Medida de la variación térmica de los cuerpos.

Densidad.- Es la relación entre la masa de un cuerpo y el volumen que este ocupa. D= m/V

a.2. Específicas (intensivas o particulares).-

DurezaTenacidad

ElasticidadSólidos Maleabilidad

DuctibilidadPunto de fusión

Expansibilidad Tensión Superficial

Gases Líquidos ViscosidadCompresibilidad Punto de ebullición

Dureza.- resistencia que ofrecen los cuerpos a ser rayados por otros. Depende de la cohesión de sus moléculas.

Tenacidad.- resistencia que ofrecen los cuerpos a ser rotos o quebrados. Elasticidad.- los cuerpos tienden a deformarse, cuando sobre ella actúa una fuerza

externa, pero cuando termina esa fuerza externa, recuperan su forma y volumen inicial. Si el cuerpo no recupera su forma inicial se llama plástico. Lo contrario de elasticidad es la plasticidad.

Maleabilidad.- Propiedad de los cuerpos de estirarse en forma de láminas delgadas. Se emplea el laminador. Ejm: Au, Ag, Cu, Pb, etc.

Ductibilidad.- Propiedad de los cuerpos de estirarse en forma de hilos. Se emplea la hilera. Son muy dúctiles: el Pt, Au, Ag, Cu.

Punto de fusión (congelación).- Temperatura a la cual la velocidad con que las moléculas de un sólido pasan al estado líquido es la misma que la velocidad con que las moléculas de un líquido pasan al estado sólido.

Expansibilidad.- Propiedad de los gases de aumentar su volumen; ocupando el mayor espacio posible.

Compresibilidad.- Propiedad de los gases de reducir su volumen. Tensión superficial.- Son fuerzas de atracción entre moléculas que hacen que la

superficie de un liquido se contraiga. Ejm.: barco, hormiga sobre el agua puede caminar.

Viscosidad.- resistencia que ofrecen los fluidos al movimiento de los cuerpos en su interior.

243

Cuerpo Partícula Moléculas Átomos

Partículas Subatómicas

Punto de ebullición.- temperatura a la cual la presión de vapor de un líquido es igual a la presión atmosférica.

b. De acuerdo a la influencia de la masa:b.1. Extensivas: Dependen de la cantidad de sustancia y son aditivas

Dilatación.- aumento de las dimensiones de un cuerpo por acción del calor Porosidad.- los cuerpos tienen entre sus moléculas espacios llamados poros.

Ciertos cuerpos son PERMEABLES porque se dejan atravesar por líquidos y gases debido a su porosidad. La filtración es posible gracias a la propiedad de la porosidad.

- Cantidad de calor sensible.- Porosidad.- Cantidad molar.- Volumen.

b.2. Intensivas: Aquellas que no dependen de la cantidad de sustancia. - Densidad.- Color.- Olor.- Sabor.- Punto de ebullición- Conductividad eléctrica.- Calor específico- Viscosidad.- Electronegatividad.

2.4. ESTADOS DE LA MATERIA2.4.1. Estado Sólido (C > R)

- Forma y volumen definido. Sus moléculas están unidas por grandes fuerzas de cohesión, es decir estas se encuentran muy juntas unas con otras. Tienen densidad alta. Poseen propiedades de: dureza, tenacidad, maleabilidad, ductibilidad.

- Se clasifican en:- Sólidos Cristalinos: Sus partículas fundamentales forman determinados sistemas

geométricos (hexagonal, cúbico, etc). Sólidos Amorfos: no tienen forma geométrica. Las moléculas están muy desordenadas ejemplo: yeso.

2.4.2. Estado Líquido (C = R)- Estado más abundante en la superficie terrestre (3/4 partes de la tierra es agua).

Sus moléculas están en constante movimiento. Existe un equilibrio entre las fuerzas de cohesión y repulsión. Densidad menor a la de los sólidos

- Se clasifican en- Miscibles: se mezclan formando una sola fase.- Inmiscibles: No se pueden mezclar permanentemente. Se separan al dejarlos en

reposo (decantación). Ejemplo aceite - agua.2.4.3. Estado Gaseoso.- (R > C)

- No tienen forma ni volumen determinado. Carecen de fuerzas de cohesión, predominan las de repulsión. Son difusibles, dilatables, expansibles. Sus moléculas tienen amplio movimiento disminuyen de volumen al aumentar la presión (compresibilidad). Densidad muy baja.

2.4.4. Estado Plasmático.- Es el estado más abundante del universo (materia).- Masa gaseosa altamente ionizada formada por núcleos positivos (iones) y

electrones que se encuentran libres debido al estado de agitación por la gran temperatura a que son sometidos.

- A 50 000 ºC los elementos al estado gaseoso, los elementos desprenden sus electrones formando plasma.

- Se encuentra en el núcleo del sol, estrellas, auroras boreales, interior de los volcanes, etc.

- En nuestro planeta se encuentra a 200 Km de la superficie terrestre formando el cinturón de Van Allen (plasma de Hidrógeno).

- Plasmatrón: Permite obtener chorros potentes de plasma denso que permite soldar, cortar metales, perforar piezas, etc.

2.5. CAMBIOS DE ESTADO

244

Se producen por efecto de la temperatura y presión ya sea aumentándola o disminuyéndola.

Aumento de la Temperatura

Sublimación Directa

Fusión Licuación

Solidificación Condensación

Deposición (Sublimación Inversa)

Disminución de Temperatura

El calor rompe la cohesión molecular en un sólido. Muchos cuerpos no llegan a fundirse, sino que se descomponen por el calor,

ejm: madera, corcho, lana, etc. Otros cuerpos como la arcilla, la cal, etc., aunque pueden fundirse lo hacen a

elevadas temperaturas; estos cuerpos se llaman refractarios.Ejm.: Sublimación Directa: hielo seco: CO2(s) CO2(g)

Cristales I2(s) I2(g) color violetaNaftalina(s) Naftalina(g)

Gas.- Aquel cuyo estado natural es gaseoso a temperatura ambiente. Ejm.: O2, N2, Cl2, H2, CH4, Ar, etc.

Vapor.- Aquel que normalmente es sólido o líquido, pero que por acción del calor adoptó el estado gaseoso. Ejm.: vapor de agua, vapor de alcohol, vapor de benceno, etc.

245

LIQUIDOSOLIDO GASEOSO

(VAPOR)

2.6. FENÓMENOS a) FENÓMENO FISICO: Es aquel que no altera ni la

composición, ni las propiedades de las sustancias, es decir, las sustancias después de un cambio físico siguen siendo las mismas. Es un cambio pasajero y reversible (puede volver a su estado original).

b) FENÓMENO QUÍMICO. Propiedad química, fenómeno químico, transformación interna de la materia, reacción química. Es aquel que altera la composición y las propiedades de las sustancias, es decir, las sustancias después de un cambio químico se transforman en otras de composición y propiedades diferentes a las sustancias iniciales. Están acompañados de grandes variaciones de energía.

c) FENÓMENO ALOTRÓPICO: Es la existencia de un mismo estado físico de dos o mas formas moleculares o cristalinas diferentes de un elemento químico, razón por la cual sus propiedades son diferentes. Ejemplo:

Elemento Químico Formas AlotrópicasCARBONO Diamante y GrafitoFÓSFORO Fósforo blanco y Fósforo rojoOXÍGENO O2: Diatómico y O3: OzonoAZUFRE Azufre Rómbico y Azufre Monoclínico

Poseen alotropía los siguientes elementos: C, O, P, S, Se, As, Sb, Bi, Fe, Sn, etc.Ejemplos:

Cambios Físicos Cambios Químicos Todos los cambios de estado excepto la

Ionización. El cambio de posición de un cuerpo. Separación de los componentes de un licor. Todos los medios físicos que se utilizan para

separar los componentes de una mezcla. Preparación de una solución salina de NaCl. Endurecimiento del soldimix. Dilatación de los sólidos. Obtención de la sal común a partir del agua de

mar. La comprensión de un resorte. Solubilidad de azúcar en el agua. Forjar un metal. La molienda de los minerales.

Los procesos de combustión, electrólisis, fermentación, hidrólisis, neutralización, oxidación, polimerización, reducción, saponificación.

La fotosíntesis de las plantas. La digestión. Obtención de vino a partir de la uva. Transformación de vino a vinagre. Disolución de la Sal de Andrews en el agua. Agriado de la leche. Lluvia ácida. El quemado de un trozo de madera. El enranciamiento de la mantequilla. La putrefacción de la carne. La descomposición de la materia orgánica. La explosión de un cartucho de dinamita.

3. LAS SUSTANCIAS:

Elementos (sustancias simples) Compuestos (sustancias complejas)

Mezclas

Formada por una sola clase de átomos; es decir átomos iguales, aunque dentro de cada elemento se pueden encontrar isótopos (átomos de estructura similar).

Formado por dos o más elementos químicamente combinados.

Formado por dos o más sustancias que no reaccionan químicamente.

Composición constante y definida.

Composición variable.

No se descomponen en otras sustancias más simples.

Se descomponen en sustancias más simples por medios químicos.

Se separan sus componentes por medios físicos o mecánicos.

90 naturales21 artificiales (creados a partir de 1940, modificando el núcleo atómico).

Los elementos que forman el compuesto pierden sus propiedades químicas.

Las sustancias que forman la mezcla conservan sus propiedades químicas.

Se clasifican en metales, no metales y gases nobles.

Se clasifican en inorgánicos y orgánicos.

Se clasifican en homogéneas y heterogéneas.

Se representan mediante símbolos químicos

Se representan mediante fórmulas químicas.

Ejm.: Na, Ag, Au, O2, P4, C, S8, etc. Ejm.: H2O, CaSO4, H2SO4,

Materia: Clasificación general (resumen) MATERIA

246

Mezcla Separación porMedios físicos en Sustancia pura

Composición química definida.

HOMOGENEAUniformes en todas sus partes, 1 sola faseSon llamadas Soluciones , ejm.aire, gasolina, aleación:latón, bronce amalgama

HETEROGENEANo uniforme en

todas sus partes.

Varias fases (arena, roca, madera, agua-aceite, una gota de sangre.

CompuestosSeparación por

Medios químicos Elementos

Dos o más elementos químicamente combinadosC. IónicosC. Moleculares

Formados por una sola clase de átomos

No se descomponen en otras más sencillas por reacción química. Ejm.

(Los elementos de la Tabla Periódica).

Unión física de sustancias en

proporción variable

(MATERIA) E = m c2 ENERGIAQue tiene masa en reposo y en Einstein Que no tiene masa en movimiento. Compuesta de átomos reposo, tiene masa en Movimiento compuesta de quantos o

fotonesEjemplo: Radiaciones Electromagnéticas

MEZCLAS HOMOGÉNEAS MEZCLAS HETEROGÉNEAS Son aquellas que poseen las mismas

propiedades en toda su extensión (uniformes en todas sus partes). No permiten diferenciar sus componentes. Sus partes no son distinguibles ni con la vista, lupa o microscopio. Presentan idénticas propiedades en todos sus puntos.

No existe límites entre sus componentes. Una sola fase.

Son aquellas en las cuales se distinguen claramente c/u. De sus componentes. Dos o mas sustancias que retienen su identidad cuando se mezclan (no uniformes en todas sus partes).

Los componentes están separados por límites físicos.

Presenta fases en su constitución.

247

CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES DE CADA DISPERSIÓN

SUSPENSIONES COLOIDES SOLUCIONES Mayores de 10 000 Å

Partículas de soluto es visible a simple vista.

Sistema de 2 fases

No son transparentes, tienen aspecto nebuloso.

Presentan movimiento solo por gravedad.

Sedimentan al dejar en reposo.

No pasan a través del papel de filtro.

Al paso de la luz, tienen aspecto nebuloso a opacas, y a menudo son translúcidas.

Constituye sistemas heterogéneos-macroheterogéneos.

Ejemplo: Arena en agua.

10 Å a 10 000 Å

Partículas de soluto son visibles en microscopio electrónico.

Sistema de 2 fases

Por lo general no son transparentes, son translúcidos u opacos.

Presentan movimiento Browniano.

No sedimentan al dejar en reposo.

Pasan a través del papel de filtro y no por membranas como el papel de pergamino.

Reflejan y dispersan la luz, presenta efecto TYNDALL.

Constituye sistemas heterogéneos-microheterogéneos.

Ejemplo: Oro coloidal, agrupación de un millón de átomos como mínimo, hemoglobina, responsable del color rojo de la sangre, es una sola molécula gigante.

0,3 Å a 10 Å

Partículas de soluto son invisibles al microscopio.

Sistema de una sola fase.

Son transparentes

Poseen movimiento molecular.

No sedimentan al dejar en reposo.

Pasan a través del papel de filtro y membranas como el papel de pergamino.

No reflejan ni dispersan la luz, no presenta efecto TYNDALL.

Constituye un sistema homogéneo.

Ejemplo: Solución incolora y límpida de almidón usado en pequeñas cantidades para detectar presencia de yodo.

COLOIDES

Cualquier sistema en el cual las partículas dispersas son más grandes que las moléculas pero a la vez son tan pequeñas que no se pueden observar al microscopio, adquiriendo sistemas intermedios entre disoluciones homogéneas y las suspensiones heterogéneas, es lo que se conoce como COLOIDE

Tipos de sistemas coloidales

248

SISTEMAS DISPERSOS(SUSPENSIÓN, COLOIDES Y SOLUCIONES)

Nº FASE DISPERSA

MEDIODISPERSANTE

SISTEMA COLOIDAL

EJEMPLO

1 Sólido Líquido Sol líquido o gel

Pintura, plasma sanguíneo, pastas, oro o

azufre en agua, gelatina, almidón en

agua

2 Líquido Líquido Emulsión líquida Agua en benceno, leche, mayonesa.

3 Gas Líquido Espuma líquidaEspuma en cerveza, c rema batida,

espuma de jabón.

4 Sólido Sólido Sol sólido Cristal de rubí, turquesa, esmeralda

5 Liquido Sólido Emulsión sólido mantequilla, clara de huevo.

6 Gas Sólido Espuma sólidoPiedra pomez, lava, marshmelos,

esponja.

7 Sólido Gas Aerosol sólido Humos, polvo.

8 Líquido Gas Aerosol liquidoNiebla, nube, neblina, pulverizado

líquido.

De los 8 tipos de sistemas coloidales , son de importancia general el 1 y el 2.

EMULSIONES.

Dispersión en gota muy pequeñas de un liquido en otro liquido, es decir, dos líquidos que son mutuamente insolubles, no se disuelven entre si, y pueden emulsionarse por agitación mecánica.Características

Si la emulsión contiene más del 1 % de la fase dispersa, la emulsión no es estable separándose rápidamente los líquidos componentes de dos capas.

La emulsificación ayuda a la digestión de las grasas en los intestinos, facilitando el metabolismo por las enzimas llamadas LIPASAS.

EL área total de la superficie de las partículas de un sistema coloidal es enorme, en comparación con una masa igual de materia compacta.

Si la partícula coloidal es esponjosa se tendrá un área superficial todavía mayor.

SOLUCIONESSon mezclas homogéneas (una fase) de dos o más sustancias denominados componentes,

cuyas proporciones varían de una a otra solución, en las que las partículas que la forman presentan dimensiones atómicas o moleculares.

SISTEMA QUÍMICO

Sistema: Porción de materia en la que es de interés o es el cuerpo en estudio. Un sistema puede ser:

a)     Sistema abierto: Cuando se intercambia masa y energía (en forma de calor) con su entorno. Ejemplo. Un vaso con agua es un recipiente abierto, el vapor de agua está en contacto con el medio ambiente (masa), al mismo tiempo la energía del agua ingresa o sale del recipiente.

b)     Sistema cerrado: Cuando no se intercambia masa, pero si se intercambia energía. Ejemplo. Un vaso con agua hervida tapado herméticamente, el vapor de agua no se escapa o condensa en el recipiente, pero la energía si puede escapar o ingresar.

c)     Sistema aislado: Cuando no se intercambia la masa ni la energía. Ejemplo. Agua hirviendo en un termo cerrado. Ni la masa ni la energía tienen contacto con el medio externo.

249

Fase: Es la masa homogénea en un sistema esta puede ser monofásica, difásica, etc.

  a)   Monofásica : Un recipiente con agua y alcohol.

b)   Difásico     : Un recipiente con agua y aceite.

c)   Trifásico     : Un recipiente con agua, kerosene y limaduras de hierro.

d)   Tetrafásico : Un recipiente cerrado con agua, petróleo, cubos de hielo y vapor de agua solamente.

  Componente: Es la sustancia que conforma un sistema. Ejemplo: agua, etanol, etc. En  una fase pueden existir dos o más componentes.

  a) Unitario : un solo componente

b) Binario : dos componentes

c) ternario . tres componentes.

d) Cuaternario: cuatro componentes

e) Quinario : cinco componentes, etc

  Citemos unos cuantos ejemplos más para poder comprender mejor las partes de un sistema.

 

250

Fig.: tomada del libro análisis de principios y aplicaciones. Tomo I: segunda edición

4. LA ENERGÍA4.1. Energía.- Capacidad de un sistema para producir o realizar trabajo. Es todo aquello capaz de

producir un cambio o movimiento. Puede ser energía mecánica, energía eléctrica, energía química, energía atómica, energía calorífica.

4.2. Ecuación de Einstein: E = mc2 Es la medida cuantitativa de materia que se transforma en energía o viceversa. Albert Einstein (1879 – 1955).

E: Variación de energía Ergios: g.cm2/s2 Joule: kg.m2/s2

m: masa g Kgc: velocidad de la luz 3x1010 cm/s 3x108 m/s

1J = 107 erg. 1cal. = 4,186 J.4.3. Radiaciones electromagnéticas

Son formas de energía que se transmiten siguiendo un movimiento ondulatorio, que llamamos "ondas electromagnéticas".Se caracterizan por no ser desviadas por campos eléctricos y magnéticos.

La frecuencia con que se irradia es inversamente proporcional a la longitud de onda.

La radiaciones electromagnéticas se propagan en el vacío a la velocidad de la luz.Matemáticamente la relación la podemos expresar:

...........

C : Velocidad de la luz: 300 000 km/s : Longitud de onda. : Frecuencia.

251

N: Número de ciclos u ondasT : Periodo (segundos)t : tiempo (segundos)* Si aumenta disminuye

Características de una Onda electromagnética.

a) Longitud de Onda (): Es la distancia que existe entre dos crestas consecutivas de la onda.Unidades: Ansgtron (Å), cm, m...

b) Frecuencia ( ó υ): Es el número de ciclos que pasan por un punto fijo en la unidad de tiempo:Unidades: Hertz (Hz).

ó o s-1

c) Periodo (T): Es el tiempo que demora en formar un ciclo o el tiempo que demora en formar una longitud de onda ().Unidad: segundos (s).

d) Amplitud (A): Nos indica la intensidad de la onda, de como la energía atraviesa una unidad de área en el espacio en una unidad de tiempo.Representa el tamaño de la cresta (+A) o la depresión (-A).

4.4. Energía de una onda (E): Según Max Planck (1900).“La energía no puede ser absorbida ni emitida en forma continua; sino en pequeñas cantidades discretas (discontinua) o paquetes, llamados fotones o cuantos de luz”. Donde la energía asociada es proporcional a la frecuencia con que se irradia.

1Å = 10-8 cm.

ƒ: frecuencia Hertz (Hz): s-1 Hertz (Hz): s-1

: longitud de onda cm mH: constante de Planck 6,63x10-27 erg.s 6,63x10-34 J.s

Ejemplos y problemas resueltos

1. ¿Cual de las siguientes afirmaciones es incorrecta?a) La química es una ciencia natural experimental.b) La química no estudia las transformaciones de la materia viva.c) La química estudia la composición, propiedades y transformaciones de la materia.d) La observación y la experimentación constituyen la base de la química.e) Los isótopos radiactivos tienen gran aplicación en la investigación por facilitar el

seguimiento de procesos vitales.La alternativa b : La química si estudia las transformaciones de la materia viva.

2. Durante una explosión termonuclear se consumió 6,5g. de plutonio. Que cantidad de energía se libero?

a) 6,5x1013 joule b) 58,5xl020 joule c) 58,5x1027 joule d) 5,85xl014 joule e) 85,5xl013

joule

Solución

m = 6,5g c = 3 x 10 10 cm/s E = m c2

252

Nodos

Depresión

Crestas

A

-A

+A

E = hƒ o h υ

E = hc/

E = (6,5g).(3x1010cm/s)2 = (6,5).(9x1020)erg. = 58,5 x 1020 erg.

E = 58,5 x1020 erg .j/ 107 erg. = 58,5 x1013j E = 5,85 x 10 14

3. ¿A cuantas calorías equivale la energía almacenada en 3g. de masa?

a) 113x1013 b) 6.45xl020 c) 6,45x1013 d) 64,5xl013 e) 113X1020

Solución

m = 3g c = 3x1010 E = m c2

E = (3g)(3x1010cm/s)2 = 27x1020erg. = 27x1020erg. j/107erg.

E = 27 x 1013 J = 2,7 x 1014 J .cal / 4,187 J

E = 6,45 x 10 13 cal

4. Se tiene inicialmente 200g de un material. Después de reaccionar se logra recuperar 199,8g del mismo. Calcular la energía liberada en ergios.

Soluci ón Datos: masa inicial = 200 g De la ecuación de Einstein:masa final = 199,8g E = m.c2 ,masa desintegrada = 0,2g E = (0,2g)( 3 x 1010 cm/s)2 = (0,2g)(9x1020 cm2/s2) Energía (ergios) = ? E = 1,8 x 10 20 ergios c = 3 x 1010 cm/s

5. La desintegración de una porción de masa, libera 45xl019 erg. de energía, si la masa inicial fue de 5g. ¿Qué porcentaje de masa se convirtió en energía?

a) 5% b) 10% c) 20% d) 25% e) 35%

Solución

mi = 5g E = md c2

md = E / c2

md = 45x1019 / (3x1010)2 = 5 x 10-1g = 0,5 g

5g → 100%

0,5g → x

x = 10%

6. En un reactor nuclear se usó una muestra de plutonio –239. Luego de la reacción, el 85% queda sin desintegrarse. Si la energía producida es de 5,4 x 1022 ergios, calcular la masa de la muestra.Solución

Muestra = Energía + residuos (85% sin desintegrarse)E = 5,4 x 1022 ergios c = 3 x 1010 cm/sDe la ecuación de Einstein:E = m.c2 , entonces: m = E / (c2)

Si:60 g 15%x 100%

x = 400 g

253