Gibbs (energía libre de Gibbs)

La dependencia de la energía libre molar de Gibbs con la presión, a temperatura constante, se define mediante la siguiente derivada parcial.

Para una gas ideal el V_m está dado por:

V_m = RT/P

Sustituyendo el volumen molar en la derivada parcial e integrando entre Pº (presión estándar de 101.325 Pa) y P, se obtiene la siguiente expresión para la energía libre molar de Gibbs.

(1) G_m (P,T) = Gº_m(T) + RT Ln (P/Pº)

Gº_m(T) es la energía libre molar de Gibbs a la presión de 101.325 Pa y a la temperatura T, y G_m(P,T) es la energía libre molar de Gibbs a la presión P y a la temperatura T.

Consideremos una reacción química hipotética de la forma:

aA + bB + ... = cC + dD+ ...

El cambio de energía libre para la reacción lo obtenemos aplicando la expresión (1) a cada participante de la reacción.

G_Productos(P,T) - G_Reactantes(P,T) = cGº_mC(T) + cRT Ln (P_C/Pº) + dGº_mD(T) + dRT Ln (P_D/Pº) +... - [aGº_mA(T) + aRT Ln (P_A/Pº) + bGº_m + bRT Ln (P_B/Pº)+ ...]

Agrupando términos logarítmicos:

G_Productos(P,T) - G_Reactantes(P,T) = Gº_Productos(T) - Gº_Reactantes(T) + RT Ln [(P_C/Pº)^c (P_D/Pº)^d.../(P_A/Pº)^a(P_B/Pº)^b...]

Mientras la variación de entropía nos indica si un sistema es reversible o irreversible, la variación de energía libre nos indica las posibilidades de que un sistema sea no espontáneo, espontáneo o se encuentre en equilibrio.

G_Productos (P,T) - G_Reactantes (P,T) menor que 0, la reacción es espontánea

G_Productos (P,T) - G_Reactantes (P,T) mayor que 0, la reacción no es espontánea

G_Productos (P,T) - G_Reactantes (P,T) = 0, la reacción está en equilibrio

Para una reacción en equilibrio, el término entre corchetes es la constante de equilibrio K_P a la temperatura T de la reacción.

Gº_Produtcos(T) - Gº_Reactantes(T) = - RT Ln K_P

El primer miembro de la igualdad anterior es la variación de la energía libre estándar de la reacción a la temperatura T.

El cambio de energía libre de Gibbs, la variación de entalpía y la variación de entropía se relacionan mediante las siguientes expresiones. La primera expresión es para un proceso isotérmico y la segunda para uno no isotérmico.

Se define la variación de energía libre de formación como la variación de energía libre envuelta en la formación de un mol de una sustancia. Por convención, la energía libre de formación de un elemento en sus estado natural es cero a 298,15 K.

La dependencia de la energía libre estándar de Gibbs con la temperatura está dada por las siguientes expresiones. Las expresiones también son aplicables a presiones diferentes a la estándar.

Biografía de Gibbs: http://www.biografiasyvidas.com/biografia/g/gibbs.htm

Fusión

Fusión es el paso de una sustancia desde el estado sólido al estado líquido. El proceso inverso de la fusión se denomina solidificación o congelación.

Durante el cambio de estado no se registran variaciones de la temperatura y presión y, por tanto, los cambios de entalpía y entropía son constantes. El cambio de energía libre es cero. Durante el cambio de estado el calor absorbido se transforma en energía potencial que ayuda al trabajo de separación de las moléculas haciendo que la temperatura se mantenga constante.

El cambio de entalpía envuelto en la transición líquido a sólido se denomina entalpía de fusión también conocido como calor latente de fusión. Este calor latente hace que la fusión se clasifique como una transición del primer orden. La entalpía de fusión tiene signo positivo, mientras la entalpía de solidificación posee signo negativo, es decir, ambas magnitudes son iguales, pero de signos opuestos. La temperatura a la que se realiza la transición del estado sólido al estado líquido, se denomina temperatura de fusión y la del proceso inverso temperatura de solidificación o temperatura de congelación, siendo ambas temperaturas numéricamnete iguales. La temperatura de fusión depende de la presión y, por tanto, hay que indicar la presión cuando se reporta un valor de temperatura de fusión. Cuando la temperatura de fusión se mide a la presión de 101325 Pa o 1 atm, se habla de temperatura normal de fusión. Por ejemplo, el agua funde a la temperatura normal de fusión de 273,15K o 0ºC. Al indicar temperatura normal de fusión nos referimos a la presión de 101325 Pa. En el caso del agua, la temperatura de fusión disminuye con la presión, pero para la mayoría de los sólidos la temperatura de fusión aumenta con la presión, es decir, a una presión superior a 101325 Pa la temperatura de fusión del agua es inferior a 273,15 K, pero para el dióxido de carbono sólido es superior a 216,55 K. La temperatura normal de fusión del dióxidio de carbono es 216,55 K.
La figura muestra un diagrama de fases similar al del agua. La línea roja de la figura señala a la curva que muestra la dependencia de la presión con la temperatura para la transición sólido a líquido o viceversa. Cada punto sobre esta curva representa el equilibrio sólido-líquido, es decir, cada punto indica la presión y temperatura a la cual ocurre la transición. Nota que la pendiente de esta curva es negativa y, por tanto, al aumentar la presión disminuye la temperatura de fusión. Para otras sustancias esta curva posee pendiente positiva y, por tanto, la temperatura de fusión aumenta al aumentar la presión.

El equilibrio entre el sólido y el líquido está dado por la ecuación de Clausius-Clapeyron 

Para una fusión el cambio de entalpía es positivo, pero el cambio de volumen para el agua es negativo, debido a que el volumen del agua sólida es mayor que el volumen de agua líquida y, por tanto, la pendiente de la curva del equilibrio sólido-líquido para el agua es negativa (dP/dT es la pendiente).

En resumen, cada sustancia sólida posee, a una presión dada, una temperatura de fusión invariable o punto de fusión; durante la fusión la temperatura permanece constante y para fundir a una sustancias es necesario suministrar calor. La temperatura de fusión es una propiedad característica de la sustancia y, por tanto, puede ser utilizada para identificarla. 

Fusión y fisión nuclear

El proceso de fusión nuclear consiste en la formación de un núcleo pesado a partir de núcleos más livianos. Las recciones de fusión nuclear son mucho más energéticas que las de fisión nuclear. Se suelen denominar reacciones termonucleares, debido a que requieren de elevadas temperaturas para iniciarlas, es decir, las reacciones de fusión se realizan mediante proyectiles acelerados a temperaturas elevadas. Un ejmplo de este tipo de reacción es:

La siguiente convención se utiliza para Q. Un valor de Q mayor que cero, indica que el núcleo compuesto se puede formar sin restricciones en la energía cinética del proyectil entrante. Un valor negativo para Q, indica que la reacción no puede ocurrir sin que se le suministre energía al proyectil. La energía cinética mínima que debe tener el proyectil para que la reacción ocurra, se denomina energía umbral.

En las reacciones de fisión nuclear, un núcleo pesado origina dos núcleos de masas intermedias y dos o tres neutrones. Uno de los métodos que producen mayor rendimiento de fisión nuclear se denomina captura de neutrones. El núcleo blanco al ser bombardeado con neutrones produce un núcleo compuesto que en algunas situaciones puede quedar en estado excitado, y fragmentarse posteriormente en otros núcleos más livianos acompañados con la emisión de neutrones o rayos gamma. La siguiente reacción es un ejemplo de fisión nuclear.

La notación de Bothe se usa como una representación simplificada de las reacciones nucleares.

Núclido o nucleido inicial (partícula entrante, partícula saliente) Núclido o nucleido final

Ejemplo:

La notación de Walter Bothe se lee de la siguiente manera: el núclido de berilio A = 9 es bombardeado con un protón, formándose el núclido isótopo berilio A=8 y liberándose un deuterón.

http://erenovable.com/2006/06/01/diferencias-entre-fusion-y-fision-nuclear/

Biografía de Walter Bothe: http://www.biografiasyvidas.com/biografia/b/bothe.htm

Fugacidad

La fugacidad (f) es una medida de la tendencia de una sustancia a escapar de una fase en la cual existe por efectos o influencias de algún proceso químico. También podemos ver a la fugacidad de un gas como la presión efectiva que ejerce el gas.

Matemáticamente podemos definir a la fugacidad mediante la expresión anterior. En la expresión anterior, V_m (real) es el volumen molar del gas real. La fugacidad se expresa en unidades de presión. La fugacidad también es igual al producto de la presión por el coeficiente de fugacidad. Para gases ideales el coeficiente de fugacidad vale 1 y, por tanto, la presión y la fugacidad son iguales.

Frecuencia de una onda

La frecuencia ( v o f) de una onda es el número de oscilaciones que presenta la onda por segundo, y es igual al inverso del período (1/T). Es importante indicar que la frecuencia está determinada por la fuente y permanece invariante independientemente del medio que atraviesa. El período es el tiempo requerido para el paso sucesivo del máximo de la onda a través de un punto fijo en el espacio, es decir, el tiempo para una oscilación completa. El número de onda es el inverso de la longitud de onda y la longitud de onda es la distancia lineal entre dos máximos o mínimos sucesivos de una onda. Fórmulas:

v = (1/T), v = velocidad de la luz/longitud de onda = número de onda x velocidad de la luz

La unidad del sistema internacional (SI) para expresar la frecuencia es el hertz de símbolo Hz. Hercio no es el nombre SI, debido a que la unidad SI de frecuencia lleva el nombre de hertz en honor al científico Gustav Hertz.

1 Hz = 1 ciclo/s o s^-1

Referencias

http://www.wiris.com/wiris/manual/es/html/tour/unitatsmesura.html

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/unidades/unidades/unidades.htm

http://www.educaplus.org/luz/ondas.html

Biografía de Gustav Hertz: http://www.biografiasyvidas.com/biografia/h/hertz_gustav.htm

Fórmula molecular

La figura muestra un ejemplo de un espectro de rsonancia magnética nuclear del protón.

La fórmula molecular es la verdadera fórmula de una sustancia compuesta y, por tanto, nos indica la relación real entre los átomos que constituyen a la molécula de la sustancia compuesta.

La fórmula molecular puede ser determinada utilizando métodos instrumentales como, por ejemplo, espectrometría de masas, resonancia magnética del protón, espectroscopia infrarrojo, UV, difracción de rayos X o la combinación de varias de ellas, pero también se pueden utilizar métodos clásicos de análisis como volumetría o gravimetría.

Para determinar la fórmula molecular, a partir de la composición centesimal de una sustancia, es requerido:

1. Conocimiento de la composición centesimal o composición porcentual
2. Conocimiento de la masa molar que se puede determinar mediante espectrometría de masas, propiedades coligativas (ebulloscopía, crioscopía, osmometría y descenso en la presión de vapor), método de Jean Dumas, Victor Meyer, densidades límites y otros.
3. Conocimiento de las masas atómicas o masas molares de los elementos que forman la fórmula.
4. Se puede utilizar la fórmula empírica, pero no es prescindible.

Por ejemplo, para una sustancia hipotética de fórmula A_xB_yC_z, los subíndices x, y, z, se determinan aplicando las siguientes expresiones:

x = (% de A . M_m del compuesto)/(100 . M_m de A)

y = (% de B . M_m del compuesto)/100 . M_m de B)

z = (% de C . M_m del compuesto)/(100 . M_m de C)

Actividad: 

Justifique las tres fórmulas anteriores.

http://encina.pntic.mec.es/~jsaf0002/p43.htm

Nota complementaria

La fórmula empirica representa una unidad de la verdadera fórmula de una sustancia, es decir, la unidad más simple que se repite n veces en la fórmula molecular. Por ejemplo, la verdadera fórmula del benceno es C6H6. La unidad más simple de esta fórmula que se repite 6 veces en el benceno es  CH. CH es la fórmula empírica del benceno. Por tanto, al multiplicar la fórmula empírica por el número de veces que se repite se obtiene la fórmula molecuar [6(CH) = C₆H₆].
El  propeno posee la fórmula molecular C₃H₆. La fórmula empírica del propeno es CH₂ que se repite 3 veces en la fórmula molecular y, por tanto, 3(CH₂)= C₃H₃

De acuerdo con los ejemplos dados, la masa molar de la fórmula molecular dividida entre la masa molar de la fórmula empírica es un número entero (n), es decir, la masa molar de la fórmula molecular es un múltiplo de la masa molar de la fórmula empírica. En algunos casos, al utilzar datos empíricos no se obtiene un número entero para n, pero se redondea al número entero más próximo.
Para calcular n se aplica la siguiente fórmula.

n = Masa molar de la fórmula molecular/Masa molar de la fórmula empírica.

Calculamos primero la fórmula empírica y su masa molar, y después calculamos n aplicando la fórmula anterior. Normalmente se conoce la masa molar de la fórmula molecular. Obtenido el valor de n, multiplicamos la fórmula empírica por n para obtener la fórmula molecular. Consideremos el siguiente ejemplo.💡

La composición centesimal de cierto compuesto es 85,6% de C y 14,4% de H. Si la masa molar (Mm) del compuesto es 28,054 g/mol, calcular la fórmula empírica y molecular.

MÉTODO I. Cálculo de la fórmula molecular pasando por el cálculo de la fórmula empírica.

1. Calculamos los moles de átomos de cada elemento por 100 g muestra.
nC = (85,6 g C/100 g muestra)/(mol C/12,011 g C) = 7,13 mol C/100 g muestra.
nH = (14,4 g H/100 g muestra)/(mol H/1,0079 g H) = 14, 3 mol H/100 g muestra.
2. Determinamos la proporción más simple en las que se combinan H y C.
nH/nC = (14,3 mol H/100 g muestra)/(7,13 mol C/100 g muestra) = 2,01 mol H/mol C ~ 2 mol H/mol C. 
3. Determinamos la fórmula empírica: CH₂
4. Calculamos la Mm de la fórmula empírica.
Mm de la fórmula empírica = 12,011g/mol + 2 x 21,0079 g/mol = 14,027 g/mol.
5. Calculamos el valor de n.
n = (28,054 g/mol)/(14,027 g/mol) = 2
6. Determinamos la fórmula molecular multiplicando la fórmula empírica por 2.
                      2(CH2) = C₂H₄ (eteno)🎯

MÉTODO II. Cálculo directo de la fórmula molecular.

Cálculo de los moles de C.
nC = (85,6 g C/100 g muestra)(28,054 g muestra/mol muestra)/(12,011 g C/mol C) = 1,99 mol C /mol muestra ~ 2 mol C/mol muestra
Cálculo de los moles de H.
nH = (14,4 g H/100 g muestra)(28,054 g muestra/mol muestra)/(1,0079 g H/mol H) = 4,01mol H/mol muestra ~ 4 mol H/mol muestra. 
Se combinan 2mol de C por mol 4 mol de H.
La fórmula molecular = C₂H₄(eteno)🆗

Fórmula empírica

La fórmula empírica es la fórmula que expresa la relación más simple entre sus átomos constituyentes y, por tanto, no es la verdadera fórmula del compuesto, pero a partir de ella es posible obtener la fórmula molecular o verdadera fórmula del compuesto. La determinación de la fórmula empírica se realiza a partir de datos obtenidos mediante análisis químico. Consideremos, por ejemplo, los resultados obtenidos mediante análisis químico para un compuesto desconocido.

• masa de carbono = 0,8180 g, masa de hidrógeno = 0,1370 g y masa de oxígeno = 0,5450 g.

Las etapas que debemos  seguir para encontrar la fórmula empírica a partir de estos datos son:
1. Determinamos la cantidad (de acuerdo con SI el término cantidad se refiere a mol) de cada elemento constituyente del compuesto.

• mol de C = masa de carbono/Masa atómica del carbono = 0,8180 g/12,011 gmol^-1 = 0,06810
• mol de H = masa de hidrógeno/Masa atómica del hidrógeno = 0,1370 g/1,0079 gmol^-1 = 0,1359
• mol de oxígeno = masa de oxígeno/Masa atómica del oxígeno = 0,5450 g/15,9994 gmol^-1 = 0,03406

2. Determinamos la relación más simple. Esto lo podemos hacer dividiendo el menor valor entre si mismo y los otros valores entre el menor. En realidad, se debe buscar el máximo común divisor de todos los valores (m. c. d) y dividir todos los valores entre el m. c. d, pero para un gran número de situaciones se puede operar como se indicó primero.

• relación: mol de C/mol de oxígeno = 0,06810/0,03406=1,999 aproximado a 2
• relación: mol de H/mol de oxígeno = 0,1359/0,03406 = 3,990 aproximado a 4
• relación: mol de O/mol de oxígeno = 0,03406/0,03406 = 1,000 ó 1

3. Determinamos la fórmula empírica.

• C₂H₄O

Nota: Si los resultados del análisis químico se reportan en composición centesimal o en porcentaje, podemos aplicar el mismo procedimiento anterior, pero la cantidad es referida a 100 g de muestra. Al obtener la relación más simple y al estar todas las cantidades referidas a 100 g de muestra ésta se cancela obteniéndose el mismo resultado:

• mol de A/ 100 g de muestra = %A/ Masa atómica de A
• mol de B/100 g de muestra = %B/Masa atómica de B
• mol de C/100 g de muestra = %C/Masa atómica de C

Relación más simple: asumiendo la primera como la de menor cantidad, dividimos la primera entre si mismo y todas las otras entre la primera. 

• (mol de B/100 g de muestra)/(mol de A/100 g de muestra) = mol de B/mol de A
• (mol de C/100 g de muestra)/(mol de A/100 g de muestra) = mol de C/mol de A
• (mol de A/ 100 g de muestra)/(mol de A/100 g de muestra) = 1

Fórmula química

Es la representación esquemática de una sustancia compuesta, una molécula o un ion poliatómico y consiste de un ensamblaje de símbolos con subíndices que representan las proporciones molares de cada elemento dentro de la fórmula. El subíndice también representa el número de átomos del elemento bajo consideración en una molécula del compuesto o en un ion. Por ejemplo, hay seis átomos de hidrógeno por molécula de benceno, seis mol de átomos de hidrógeno por mol de moléculas de benceno, seis mol de átomos de hidrógeno por seis mol de átomos de carbono en un mol de moléculas de benceno o seis átomos de carbono por seis átomos de hidrógeno en una molécula de benceno.

Ejemplos:

Na₂SO₄ (tetraoxosulfato de disodio, sulfato de sodio...

C₆H₆ (benceno)

PO₄^3- [ion tetraoxofosfato(3-)...]

http://www.babylon.com/definition/Chemical_Formula/English

http://www.answers.com/topic/chemical-formula

http://www.iupac.org/dhtml_home.html

Eutéctico

 

Es un término que se aplica a una mezcla formada por dos o más sustancias y posee la menor temperatura de fusión que los componentes de la mezcla.

El diagrama corresponde a dos sólidos solubles en estado líquido e insolubles en estado sólido. En este diagrama, T_A es la temperatura de fusión de la sustancia A (x=0), T_B es la temperatura de fusión de la sustancia B (x=1). En el eje X, se representan las fracciones molares de diversas mezclas de A y B. En lugar de las fracciones molares, se pueden utilizar los porcentajes en masa o las fracciones masa de A y B. 

Como podemos apreciar, el diagrama está formado por cuatro regiones. En la región superior, se encuentran los dos sólidos fundidos o fase líquida (L). A la derecha el sólido B(s) está en equilibrio con la mezcla líquida, es decir, B(s)+L. En la izquierda, se encuentra la región A(s)+L, el sólido A(s) está en equilibrio con la mezcla líquida. La región inferior la forman A(s)+B(s). En el punto eutéctico (E), la composición del líquido en equilibrio con las dos fases sólidas se denomina composición eutéctica. La solución con la composición eutéctica está en equilibrio con los sólidos A(s) y B(s). El punto eutéctico está representado en la figura con la letra roja (E). La temperatura eutéctica permanece constante hasta la transformación de la fase líquida en los sólidos A(s) y B(s), es decir, L-->A(s)+B(s). El eutéctico es un punto invariante en un diagrama a presión constante. Cualquier composición sobre la línea eutéctica tendrá la misma temperatura de solidificación. Mezclas de A y B a la temperatura eutéctica y con composición superior a la eutéctica tendrá al sólido B(s) en equilibrio con la solución eutéctica, pero a la temperatura eutéctica y a una composición inferior a la eutéctica tendrá al sólido A(s) en equilibrio con la solución eutéctica.  Cualquier temperatura debajo de la temperatura eutéctica representa un estado formado solamente por A(s) y B(s). 

Consideremos, por ejemplo, el enfriamiento de una mezcla fundida de A y B a lo largo de la línea a1-a5. En a1, existe una mezcla fundida de A y B. En a2, empieza a separarse B(s) de la mezcla líquida. a3 está en la región de dos fases, y coexisten en equilibrio B(s) y la mezcla líquida. La relación entre las cantidades de B(s) y la mezcla líquida está dada por el segmento que une b con a3 y conecta con C en el eje vertical de B puro (se aplica la regla de la palanca para calcular el porcentaje de cada fase). En a4 se alcanza la menor temperatura a la cual la mezcla es líquida. El sólido B(s) se encuentra en equilibrio con la solución residual, que posee la composición del eutéctico.  En a5, la mezcla se enfría y se separan simultáneamente los dos sólidos A(s)+B(s), debido a que son insolubles. 

Los diagramas de Sb-Pb, Si-Al, Be-Si, AgCl-KCl, Bi-Cd...son del tipo mostrado en la figura. La mayor aplicación de estos sistemas es para la separación y purificación de especies sólidas, estudio de formación de minerales, sistemas geológicos, en el estudios de aleaciones y compuestos intermetálicos.

Entropía

La entropía (S) puede ser utilizada como un criterio para indicar la reversibilidad o irreversibilidad. Un proceso irreversible va acompañado con un aumento de la entropía, mientras uno reversible carece de aumento de entropía, es decir, cualquier proceso natural va acompañado con un aumento de entropía. La entropía también indica el desorden molecular. En los gases el desorden molecular es mayor que en los líquidos y los sólidos y, por tanto, los gases poseen mayor valor de entropía que los líquidos y los sólidos. Por ejemlo, metanol líquido posee un valor de entropía molar de 126,8 J/K mol a 298,15 K y 101325 Pa, mientras la entropía molar de matanol gas es 239,7 J/K mol a las mismas condiciones de temperatura y presión. En forma diferencial, la entropía se define mediante la siguiente expresión,

dS = dQ_reversible/T

Para calcular la variación de entropía en un proceso no adiabático, la transferncia de calor entre el sistema y el entorno o viceversa debe ser reversible. En un ciclo reversible la variación de entropía es cero y, por tanto, la entropia es una función de estado.

El cambio de entropía en un proceso adiabático reversible es cero, pero en uno adiabático irreversible es mayor de cero.

• La segunda ley de la termodinámica nos indica que cualquier proceso real va acompañado con un aumento de la entropía del sistema y de su medio circundante, es decir, la entropía del universo aumenta en un proceso irreversible, mientras en uno reversible permanece constante.

(S₂ - S₁)_universo = (S₂ - S₁)_sistema + (S₂ - S₁)_entorno

(S₂ - S₁)_universo = 0 para un proceso reversible

(S₂ - S₁)_universo > 0 para un proceso irreversible

• La tercera ley de la termodinámica nos indica que la entropía molar de un elemento puro o una sustancia en su estado cristalino perfecto es cero en el cero absoluto y a 101325 Pa.
• La entropía es una función de la presión, volumen y temperatura. Para gases ideales, las expresiones para calcular el cambio de entropía cuando son sometidos a variaciones de P, V y T son:

S₂ - S₁ = n C_V,m Ln (T₂/T₁) + n R Ln (V₂/V₁)

S₂ - S₁ = n C_p,m Ln (T₂/T₁) - n R Ln (P₂/P₁)

• Aplicación: Un gas ideal es sometido al proceso cíclico, indicado en la figura de arriba. La flecha indica el sentido del proceso o las etapas a las que se sometió el gas ideal. Prediga el signo de las magnitudes termodinámicas de energía interna, entalpia y entropía en cada una de las etapas A, B, C y D.

• Reflexión: ¿Está Ud. de acuerdo con el comentario que se realiza al final de la página que se localiza en el siguiente enlace? ¿Qué reflexiones puede realizar sobre otros contenidos de la página?

http://www.cec.uchile.cl/~roroman/pag_2/ENTROPIA.HTM

http://www.monografias.com/trabajos/termoyentropia/termoyentropia.shtml

http://en.wikipedia.org/wiki/Entropy

Biografía de Rudolf Clausius: http://es.wikipedia.org/wiki/Rudolf_Clausius

Entalpía

La entalpía (H) es una magnitud termodinámica que cambia cuando el sistema sufre una variación de presión, temperatura o ambas. Debido a que la entalpía no se conoce en valor absoluto, al hablar de entalpía nos referimos a un cambio o variación de entalpía. La entalpía de los gases ideales sólo depende de la temperatura, es decir, la presión no afecta los valores de entalpía de un gas ideal. La entalpía es una función de estado y, por tanto, en un proceso cíclico la suma de las variaciones de entalpía vale cero. Para un proceso a presión constante la variación de entalpía es igual al calor envuelto en el proceso (Q_p), es decir,

H₂ - H₁ = Q_p

La entalpía y la energía interna se relacionan mediante las siguientes expresiones:

H₂ - H₁ = U₂ - U₁ + P (V₂ - V₁) (presión constante)

H₂ - H₁ = U₂ - U₁ + (P₂V₂ - P₁V₁) (presión no constante)

Para un gas ideal

H₂ - H₁ = nC_p,m (T₂ - T₁)

U₂ - U₁ = nC_v,m(T₂ - T₁)

C_p,m es la capacidad calorífica molar a presión contate y C_v,m es la capacidad calorífica molar a volumen constante.

Para un gas ideal,

C_p,m - C_v,m = R

En un cambio de estado físico la variación de entalpía es constante

http://www.monografias.com/trabajos17/calorimetria/calorimetria.shtml

http://www.ausetute.com.au/enthchan.html

Enlace químico

El enlace químico es la forma mediante la cual se unen los átomos para formar especies moleculares e iónicas y también la forma de unión entre moléculas. Esta unión se realiza mediante fuerzas electrostáticas o por compartimiento o donación de electrones. En el siguiente esquema se representan los diferentes tipos de enlaces:

1. Enlace interatómico

• Iónico
• Covalente -> Normal, múltiple y dativo o coordinado
• Metálico

2. Enlace intermolecular

• Fuerzas de Van der Waals -> Dipolo-dipolo, dipolo-dipolo inducido y dipolo inducido-dipolo inducido
• Puente de hidrógeno

http://bdml.stanford.edu/twiki/bin/view/Main/InvestigationOfVanDerWaalsForce

http://www.visionlearning.com/library/module_viewer.php?mid=55&l=s

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/chemical/bond.html

http://laguna.fmedic.unam.mx/~evazquez/0403/van%20der%20waals.html

http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/H/HydrogenBonds.html

Biografía de Van der Waals: http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1910/waals-bio.html

Energía interna

La energía interna (U) es una magnitud termodinámica cuyo valor absoluto no es conocido, pero su variación es calculable cuando el sistema sufre una variación de volumen y temperatura o ambas. En termodinámica, al hablar de energía interna nos referimos a la variación de energía interna. La variación de la energía interna es la suma de las energías traslacional, vibracional y rotacional de las moléculas. Los gases monoatómicos ideales sólo poseen energía interna traslacional y electrónica. La energía interna de los gases ideales sólo depende de la temperatura. La energía interna es una función de estado y su suma en un trayecto cíclico vale cero. Para un proceso a volumen constante el cambio de energía interna es el calor envuelto en el proceso (Q_V), es decir,

Q_V = U₂ - U₁

Para gases ideales:

Monoatómico: U₂ - U₁ = n (3/2) R (T₂ - T₁)

Diatómico y poliatómico lineal: U₂ - U₁ = n (3N - 2,5) R (T₂ - T₁)

Poliatómico no lineal: U₂ - U₁ = n (3N - 3) R (T₂ - T₁)

En las ecuaciones anteriores U₂ es la energía interna en el estado 2, U₁ es la energía interna en el estado 1 (para un gas ideal U₁ vale cero en el cero absoluto), R es la constante molar de los gases (R = 8,31441 J/K mol), T₂ es la temperatura en kelvin del estado 2, T₁ es la temperatura en kelvin del estado 1, n es cantidad y N número de átomos que posee la molécula.

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/gasIdeal/gasIdeal.html#Definición%20cinética%20de%20la%20temperatura

http://www.science.uwaterloo.ca/~cchieh/cact/c120/conserve.html

http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/thermo1.html

Elemento

Un elemento es una sustancia simple que no se puede descomponer mediante procedimientos químicos ordinarios o formarse por unión de otros elementos. 

Un elemento es una mezcla de isótopos. Es decir, una mezcla de átomos que poseen el mismo número atómico, pero difieren en su masa atómica. Los isotópos posen el mismo número de electrones y protones, pero difieren en el número de neutrones y, por tanto, en el número másico. Por ejemplo, ¹²C ¹³C y ¹⁴C son isotópos, debido a que poseen el mismo número atómico (Z=6), pero difieren en su número másico. 

El número atómico indica la posición del elemento en la tabla periódica, el número de protones que tiene el núcleo y para un átomo neutro indica el número de electrones. 

La masa atómica (m_a) es la masa que posee un átomo. Está dada por la suma de las masas de todas las partículas que forman al átomo o a un isotópo en particular. 

La unidad de masa atómica es la unidad de masa atómica unificada que posee el símbolo u. El dalton de  símbolo Da también se utiliza. Para calcular la masa atómica de cualquier átomo en kg, multiplicamos la masa atómica relativa (A_r) del átomo por el valor de la constante de masa atómica (m_u). 

      m_u = 1,66053906660(50)x10^-27kg

  m_a= (A_r)x1,66053906660(50)x10^-27kg

La unidad de masa atómica unificada se  define como la doceava parte (1/12) de la masa de un átomo, neutro y no enlazado, de carbono-12, en su estado fundamental eléctrico y nuclear. 

u=m(¹²C)/12

La masa atómica relativa (A_r) está determinada por el promedio de las masas atómicas de todos los átomos de un elemento químico encontrado en una muestra en particular y medida con respecto al ¹²C que se le asigna una masa atómica relativa de 12.  Por tanto, la masa atómica relativa de un átomo o de un elemento no posee dimensiones.
El ¹²C es un átomo neutro en su estado fundamental eléctrico y nuclear. 
La masa atómica relativa puede variar, debido a que depende de la muestra y del tratamiento dado a la misma. Por ejemplo, la masa atómica relativa del litio (Li) puede variar desde 6,939 a 6,996.

 El instrumento utilizado para determinar masas atómicas y abundancias isotópicas es un espectrómetro de masas. Mediante este instrumento se determina  la masa de un átomo con respecto a la masa de otro. Por ejemplo, asuma que la relación entre las masas atómicas de aluminio y ¹²C hasta cinco cifras significativas es 2,2485.

m_aAl/m_a¹²C=2,2485=(A_rAlxmu)/(A_r¹²Cxmu)= A_rAl/A_r¹²C 

Despejando A_rAl, 

A_rAl =2,2485 x  A_r¹²C

Para poder calcular la masa atómica relativa del Al debemos asignarle un valor a A_r¹²C. Por convención se seleccionó el valor exacto de A_r¹²C=12  que corresponde a 6 protones y 6 neutrones o a una m_a¹²C de 19,9269x10^-27kg

La masa atómica relativa de un elemento se puede determinar a partir de la abundancia isotópica y las masas atómicas relativas de los isotópos del elemento. Por ejemplo, el carbono posee el isótopo ¹²C de masa atómica relativa 12,0000 y de abundancia isotópica 98,89%, el isótopo ¹³C de masa atómica relativa 13,0034 y de abundancia isotópica 1,11% y ¹⁴C, que por ser radiactivo, posee una abundancia isotópica ~0. La masa atómica relativa del carbono la calculamos de la siguiente manera.

Masa atómica relativa (A_r) = (98,89/100)x12,0000 + (1,11/100)x13,0034 = 12,0111

La masa atómica relativa de un elemento expresada en g/mol o kg/mol se denomina masa atómica molar. Un g/mol es una unidad de masa atómica unificada (u=1g/mol o 10^-3kg/mol). Por ejemplo, la masa atómica molar del elemento carbono es  12,0111g/mol o 12,0111u. 

El número másico (A) es la suma de los protones (p) y neutrones (n) que posee el núcleo atómico. 

                                  A = p+n

Actividad

Calcular la masa atómica relativa  del elemento neón. El neón posee tres isótopos de masas atómicas relativas de 19,99244, 20,99395 y 21,99138. Las abundancias isotópicas son 90,51%, 0,27% y 9,22%, respectivamente.

http://www.sisweb.com/referenc/source/exactmas.htm

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nuclear/krypton.html

http://www.bipm.org/en/si/si_brochure/

Electrón

Un electrón es una partícula subatómica, descubierta por J.J. Thomson, con carga negativa de -1,60218921 x 10^-19 C, con una masa de 9,109534 x 10^-31 kg (1836,15 veces más liviano que un protón) y un diámetro de 0,01 pm

http://www.aip.org/history/electron/jjhome.htm

http://www.hiru.com/es/fisika/fisika_05600.html

http://www.educared.net/concurso/764/particulas2.htm

http://soko.com.ar/Fisica/cuantica/Atomo.htm

http://www.aip.org/history/electron/jj1897.htm

http://www.chemheritage.org/classroom/chemach/atomic/thomson.html

Electrólisis

La electrólisis es la descomposición de una sustancia for efectos de la corriente eléctrica. Las leyes de Faraday sobre la electólisis indican:

• En un proceso electrolítico, la cantidad de descomposición química es directamente proporcional a la cantidad de electricidad que pasa a través de la solución
• Las masas (m) de diferentes especies depositadas o disueltas en los electrodos por la misma cantidad de electricidad (q), son directamente proporcionales a sus coeficientes estequiométricos (v) multiplicados por sus masas molares (M_m) e inversamente proporcional al número de electrones (z) envueltos en las semirreacciones de reducción u oxidación que ocurren en los electrodos.

Matemáticamente podemos expresar ambas leyes, mediante la siguiente expresión,

m = v M_m q /z 96485

El valor de 96485 se obtiene al multiplicar el número de Avogadro N_A por el valor de la carga fundamental e, es decir,

F = N_A e = 6,0220456 x 10²³mol^-1 x 1,6021892 x 10 ^-19 C = 96484,559 C/mol

El valor experimental más reciente para un Faraday (F) es 96489 C/mol con una desviación estándar de (+ ó - ) 2 C/mol.

Por ejemplo, para determinar la masa de NO en la siguiente semirreacción, hacemo v = 2, z = 4 y M_m = 30,01 g/mol en la fórmula anterior.

N₂O₄ + 4H⁺ + 4e^- = 2NO + 2H₂O

Biografía de Michael Faraday: http://espacial.org/miscelaneas/biografias/faraday1.htm

Einstein

Teoría sobre la equivalencia entre masa y energía.

La cantidad de masa (m) equivalente a una cantidad de energía (E), está dada por la siguiente expresión:

E = mc² (c es la velocidad de la luz)

Biografía de Einstein: http://es.wikipedia.org/wiki/Albert_Einstein

Biografía de Einstein: http://www.ucm.es/info/rsef/amf2005/einstein.htm

http://news.bbc.co.uk/hi/spanish/specials/2005/einstein/newsid_4433000/4433043.stm

http://www.nodo50.org/ciencia_popular/articulos/Einstein4.htm

Dulong y Petit

La ley de Dulong y Petit dice:

A temperatura ordinaria, el producto entre la masa atómica de un elemto sólido expresada en g/mol y su calor específico expresado en J/K g, es aproximadamente 26,4 J/K mol. Algunos elementos de baja masa atómica y elevado punto de fusión, presentan desviación de este valor.

Biografía de Pierre Louis Dulong: http://es.wikipedia.org/wiki/Pierre_Louis_Dulong

http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/19/htm/sec_5.htm

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/dulong.html

http://web.lemoyne.edu/~giunta/classicalcs/DP.html

Doble descomposición, doble sustitución o metátesis

Es una variedad del cambio químico que consiste en el intercambio simple de las partes de dos sustancias compuestas para formar dos nuevas sustancias.

Ejemplos:

BaO₂(s) + H₂SO₄(ac) -> BaSO₄(s) + H₂O₂(l) (obtención del agua oxigenada)

NaNO₃(s) + H₂SO₄(ac) -> NaHSO₄(ac) + HNO₃(g) (método antiguo para obtener nitrato de hidrógeno o ácido nítrico)

Lecturas complementarias

http://formacionenlinea.edu.ve/formacion_educadores/formacioneducadores-ligth/cursocompuesto_quimicos/unidad4/guion19.html

http://www.textoscientificos.com/quimica/nitrato-potasico/produccion

http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_peroxide

http://www.efma.org/publications/NitricAcid/Section03.asp

http://www.bookrags.com/Ostwald_process

Desplazamiento o sustitución

Es una variedad del cambio químico en el cual una sustancia simple sustituye a otra que forma parte de una sustancia compuesta. También se dice que es una variedad del cambio químico en la cual una sustancia simple libera a otra que forma parte de una sustancia compuesta. Un ejemplo notorio de reacciones de desplazamiento lo constituye las reacciones de los metales alcalinos con el agua. Los metales alcalinos poseen potenciales estándares de reducción negativos y, por tanto, reaccionanm violentamente con el agua liberando hidrógeno. Algunos metales con potenciales estándares de reducción negativos reaccionan con algunos ácidos liberando hidrógeno.

Ejemplos: 2Na(s) + 2H₂O(l) -> 2NaOH(ac) + H₂(g) (reacción explosiva)

Zn(s) +2HCl(ac) -> ZnCl₂(ac) + H₂(g) (reacción utilizada para obtener hidrógeno en el laboratorio)

Lecturas complementarias:

http://en.wikipedia.org/wiki/Table_of_standard_electrode_potentials

http://en.wikipedia.org/wiki/Single_displacement_reaction

http://www.gcsescience.com/r5.htm

http://library.kcc.hawaii.edu/external/chemistry/single_displ_rxn.html

http://www.webelements.com/index.html

Descomposición química

La descomposición química es una de las variedades del cambio químico que se caracteriza por la descomposición de una sustancia en otras con propiedades diferentes a la de partida.

Ejemplos:

2KClO₃(s) = 2KCl(s)+3O₂(g) (la reacción es favorecida hacia la derecha con calor y catalizador de MnO₂)

CaCO₃(s) = CaO(s) + CO₂(g) (favorecida hacia la derecha por calor)

2Pb(NO₃)₂(s) = 2PbO(s) + 4NO₂(g) + O₂(g) (favorecida hacia la derecha por calor)

Enlaces a información complementaria:

http://www.google.es/search?hl=es&lr=&defl=es&q=define:Catalizador&sa=X&oi=glossary_definition&ct=title

http://www.ecosur.net/sust._varias/carbonato_de_calcio.html

http://es.wikipedia.org/wiki/Nitrato_de_plomo_(II)

http://www.mtas.es/insht/ipcsnspn/nspn0548.htm

de Broglie

Se define la longitud de onda de de Broglie asociada a una partícula, mediante la siguiente ecuación.

Longitud de onda = h/mv = (h/m_ov)(1 - v²/c²)^1/2

En la ecuación anterior m es la masa observada de la partícula, m_o es la masa en reposo de la partícula, v es la velocidad, c es la velocidad de la luz, h es la constante de Planck y el producto mv es el momento.

Comentar la ecuación y la siguiente oración:

Si lanzamos una pelota de 0,14 kg a una velocidad de 40 m/s, debemos de esperar que la longitud de onda asociada a la pelota sea de 1,2 x 10^-22 pm

Biografía de Louis de Broglie: http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1929/broglie-bio.html

http://www.hiru.com/es/fisika/fisika_06100.html

Dalton

Ley de de Dalton sobre las presiones parciales:

• La presión ejercida por una mezcla gaseosa es la suma de las presiones parciales de todos los componentes que forman la mezcla. La presión parcial de un componente de la mezcla es la presión ejercida por un componente de la mezcla como si estuviese solo a la misma temperatura y en el mismo recipiente de la mezcla.

P = P₁ + P₂ + P₃+... (P₁, P₂ ... son presiones parciales)

P_i = P y_i (donde P_i es la presión parcial del componente i y y_i su fracción molar)

Ley de las proporciones múltiples de Dalton:

• Las cantidades de un mismo elemento que se combinan con una cantidad fija de otro para formar varios compuestos están en una relación de números enteros y sencillos.

Teoría atómica de Dalton:

• Los elementos están formados por partículas indivisibles e indestructibles, denominas átomos.
• Los átomos de un mismo elemento son idénticos en masa y propiedades.
• Los átomos de distintos elementos son diferentes en propiedades y masa
• Los compuestos se forman por la unión de átomos de los correspondientes elementos en una relación constante y sencilla en número
• Los átomos no cambian en el transcurso de una reacción química

Sobre la base de las definicioes reportadas arriba, comentar críticamente y reflexivamente sobe mezclas ideales y no ideales de gases, fallos de la teoría atómica y proporciones múltiples

Biografía de John Dalton: http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0280-01/John.html

http://es.wikipedia.org/wiki/John_Dalton

Curie

El Curie es la unidad del Sistema Internacional para indicar el número de núcleos radioactivos que se desintegran por segundo. El símbolo para esta unidad es Ci y es equivalente a 3,7x10¹⁰ desintegraciones/segundo o Bq. Bq o becquerel es la unidad para expresar actividad radioactiva y es igual a una desintegración/segundo.

Biografía de Marie Curie: http://es.wikipedia.org/wiki/Marie_Curie

http://www.uv.es/~jaguilar/historias/curies.html

http://www.smf.mx/boletin/Oct-95/cien.html

http://es.wikipedia.org/wiki/Radiactividad

http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0504-01/actividad.html

Compton

• El efecto Compton se refiere a la dispersión elástica o scattering elástico de fotones por electrones resultanto en la disminución de la frecuencia y un aumento de la longitud de onda de rayos X y rayos gammma cuando son dispersos por electrones libres.
• Electrón Compton es un electrón orbital de un átomo que ha sido expulsado de su orbital por el impacto de un quantum de radiación de alta energía como la proveniente de un rayo X o un rayo gamma.
• La longitud de onda de Compton es la relación h/mc. donde h es la constante de Planck, m es la masa de la partícula y c la velocidad de la luz.

http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Compton

Biografía de Holly Compton: http://www.rayos.info/pagina_nueva_8.htm

Biografía de Max Planck: http://www.astrocosmo.cl/biografi/b-m_planck.htm

http://www.mpg.de/

http://es.wikipedia.org/wiki/Velocidad_de_la_luz