Boyle

La ley de Boyle dice que a temperatura constante el volumen ocupado por una misma masa gaseosa cambia inversamente proporcional con la presión a la que se somete el gas (P = k/V). También se puede definir como el producto PV = constante cuando la temperatura y la cantidad de gas se mantienen constantes. 

La ley de Boyle  también se conoce como ley de Boyle - Mariotte. Boyle experimentó sobre el peso, elasticidad y comprensibilidad del aire, así como el papel que el aire desempeña en la combustión, en la oxidación y en la transmisión del sonido. En 1662, formuló y demostró superficialmente, varios años antes que Mariotte, la denominada ley de Boyle y Mariotte. Mariotte (1676)  realizó la formulación precisa de la ley  como resultado de sus experimentos sobre la comprensibilidad de los gases.
Para un gas ideal que cambia las condiciones desde V_1,P₁ a V_2,P₂, a temperatura y cantidad constante, la ley de Boyle y Mariotte se escribe como,  

                V₁P₁ = k(T, n) o V₁ = k(T, n)/P₁ 

                V₂P₂ = k(T, n)  o V₂ = k(T, n)/P₂

k(T, n) es una constante que depende de la temperatura y la cantidad a la que se midió la presión y el volumen.
De las expresiones anteriores se obtienen las siguientes expresiones, 
               

                V₁P₁ = V₂P₂ o V₁/V₂ = P₂/P₁

Los siguientes gráficos muestran diferentes formas de representar la ley de Boyle y Mariotte. 

Formas de representar la ley de Boyle 

Un gas ideal es un gas que posee un factor de comprensibilidad (Z) de 1, es decir, PV_m/RT = 1 o PV_m = RT. Para un gas no ideal, el valor de Z es diferente de uno o PV_m no es constante. 

        PV_m = RT(1 + BP + CP²+ DP³ +...)

En un gas ideal, no se considera el covolumen de las moléculas ni el efecto de la interacción intermolecular en la presión del gas.
De acuerdo con la ley de Boyle y Mariott, un gas ideal a T y n constante,  V ---> 0 cuando P ---> infinito o V ---> infinito cuando P ---> 0. 

En realidad, el volumen no puede ser cero, debido al covolumen de las moléculas. A elevadas presiones, a las mismas condiciones de temperatura y cantidad, el volumen de un gas real es mayor que el volumen de un gas ideal. A volúmenes bajos, a las mismas condiciones de temperatura y cantidad, la presión de un gas real es mayor que la de un gas ideal, pero a volúmenes grandes, a las mismas condiciones de temperatura y cantidad, ambas presiones tienden a ser similares. A volúmenes intermedios, a las mismas condiciones de temperatura y cantidad, la presión del gas ideal tiende a ser superior a la del gas real. 

Dependencia de PV_m de P

Note en la figura anterior que el producto (PV_m) para un gas ideal es constante, a una temperatura y cantidad dada. Por tanto, (PV_m) es independiente de P o de V, pero para un gas real es dependiente de P o V. La desviación de la idealidad se vuelve más pronunciada a medida que aumenta la presión. A presiones bajas, el He es el que mejor obedece la idealidad. Otros gases como, por ejemplo, CO, N₂, H₂, O₂...tienden a comportarse idealmente. A muy bajas presiones, la mayoría de los gases tienden a comportarse idealmente, es decir, obedecen la ley de Boyle y Mariotte, debido a que la distancia intermolecular aumenta  y la interacción entre las moléculas del gas se hace despreciable. 

La ley de Boyle y Mariotte es una ley límite, debido a que se cumple cuando la presión se aproxima a cero. Es más correcto escribir la ley de Boyle como

                          lim(PV) = k(T, n)
                          P ---> 0

Para un gas a T = 273,15 K o 0°C

                       lim(PV_m) = 22,4129 Latm/mol
                        P ---> 0
Como se puede apreciar en la figura anterior, este valor de (PV_m) extrapolado en el límite P --> 0 es  igual para todos los gases. Esta observación es consistente con el principio de Avogadro que indica que todos los gases en condiciones normales(P = 1atm, T = 273,15 K) poseen,  aproximadamente, el mismo volumen molar de V_m = 22,4136 L/mol.

Biografía de Robert Boyle: http://es.wikipedia.org/wiki/Robert_Boyle

Boltzmann

La constante de Boltzmann posee el símbolo de k y se define como el radio entre la constante universal de los gases/el número de Avogadro. k = 1,38054 x 10^-23 J/K

Biografía de Boltzmann: http://en.wikipedia.org/wiki/Ludwig_Boltzmann

Bohr

Bohr indicó en su teoría sobre el átomo que el electrón puede girar alrededor del núcleo en órbitas circulares de energía constante y que en un estado estacionario los electrones no emiten radiación. El salto de un electrón de una órbita a otra órbita de menor radio va acompañado con la emisión de radiación monocromática. Según el modelo atómico de Bohr, el radio de un átomo de hidrógeno es 5,29167 x 10^-9 cm.

Biografía de Niels Bohr: http://es.wikipedia.org/wiki/Niels_Bohr

Beta

Es una de las partículas emitidas por un núcleo atómico radioactivo. Tiene una masa aproximada de 1/1837 la masa de un protón. La partícula beta cargada negativamente es idéntica a un electrón ordinario, pero si está carga positivamente se denomina positrón y posee la misma masa de un electrón, pero de cargas opuestas

Bases

Para muchos propósitos es suficiente decir que una base es una sustancia que se disocia en agua para producir uno o más iones hidróxidos.

• Definición de Brönsted: Una base es cualquier compuesto que puede aceptar un protón.
• Definición de G. N. Lewis: Una base es cualquier sustancia que posee un par de electrones sin compartir o sin formar enlace químico. 

http://www.personal.psu.edu/the1/acidbase.htm

Átomo

La menor partícula de un elemento que puede entrar en una combinación química. Todos los compuestos químicos están formados por átomos, la diferencia entre compuestos se atribuye a la naturaleza, número y arreglo de los átomos constituyentes.

El átomo es la unidad más pequeña de un elemento químico que conserva las propiedades de ese elemento químico e  interviene en las reacciones químicas. Las reacciones químicas son la combinación de átomos. 

La palabra átomo proviene del griego que significa indivisible, debido a que se pensaba. que el átomo era la partícula más pequeña del universo que no se podía dividir. 

Los experimentos realizados permiten indicar que un átomo posee un núcleo, cargado positivamente, formado por protones (cargas pisitivas) y neutrones (no poseen carga), y una corteza (corona  atómica, nube de electrones, nube atómica o reempe) cargada negativamente, debido a los electrones.

REEMPE 1s para H

REEMPE 3s para H

Basados sobre los aportes  de Werner Heisenberg (1901-1976), Louis de Broglie (1892-1987) y Erwin Schrödinger (1887-1961) se crea el modelo actual del átomo denominado modelo mecánico cuántico del átomo. En este modelo, el electrón se comporta como una onda estacionaria, y ya no se habla de órbita sino de nube electrónica o REEMPE. La nube electrónica o REEMPE significa región espacio energético de manifestación probabilística electrónica. Es una región donde hay altísima probabilidad de encontrar un electrón, también se le llama incorrectamente orbital atómico. 

Las figuras ilustran las densidades de probabilidad para un electrón del átomo de hidrógeno en los reempes 1s y 3s. La probabilidad de encontrar un electrón en cierta región es proporcional a la brillantes de la nube en esa región.
Los experimentos de Rutherford demostraron que la masa principal del átomo está concentrada en el núcleo, alrededor del cual giran los electrones en órbitas circulares y elípticas.
Los protones y los neutrones son llamados nucleones. El número másico (A) determina el número de nucleones.
                                A = n + p
La masa del núcleo constituyen más del 99,94 % de la masa del átomo.
La distribución electrónica, las propiedades periódicas (radio atómico, volumen atómico, electronegatividad, energía de ionización...), el enlace químico, el estado de oxidación y las reacciones químicas dependen de la corteza atómica.
El número másico, isotópos, isóbaros, radioactividad natural y transmutación artificial dependen del núcleo atómico.
Un átomo es eléctricamente neutro cuando posee el mismo número de electrones y protones. Si el número de protones y electrones es diferente, el átomo tendrá un exceso o deficiencia de electrones. En el primer caso, es un ion negativo o anión, y en el segundo caso un ion positivo o catión.
El electrón es una partícula subatómica de carga relativa - 1 y masa despreciable. El símbolo del electrón es e, y fue descubierto por Joseph John (J.J.) Thomson en 1897. La carga de un electrón es  -1,602 176 634 x 10^-19C y la masa es 9,109 383 7015(28)x10^-31kg.
El protón es una partícula subatómica de carga relativa +1 y masa relativa de aproximadamente 1 u [1,007 276 467 621(53) u]. El simbolo de un protón es p o p⁺. El descubrimiento del protón se suele acreditar a Ernest Rutherford en el año 1918, pero  Eugene Goldstein había propuesto, varios años antes que Rutherford, la idea de la existencia de los protones. Sin embargo, sus ideas no fueron tomadas en cuenta.
Rutherford encontró que cuando se disparan partículas alfa contra el nitrógeno se produce la siguiente reacción. 

La masa de un protón es 1,672 621 923
69(51)x10^-27kg y la carga es 1,602 176 634 x 10^-19C. Por tanto, la relación m_p/m_e =1836,15267343(11).
James Chadwick en 1932 descubrió al neutrón. 

                       ⁹₄Be + α →¹²₆C + n

El neutrón es una partícula subatómica de carga cero y masa relativa de aproximadamente 1 u [1, 008 644 915 95(49) u]. La masa del neutrón es 1,674 927 29(28)×10⁻²⁷ kg. Por tanto, la relación m_n/m_p= 1,001 378 419 31(49). El símbolo de un neutrón es n. 

Los protones y los neutrones están compuestos de un par de partículas llamadas quarks y gluones. 

Los protones contienen dos quarks ascendentes cada uno de carga positiva (+2/3) y un quark descendente con carga negativa (-1/3) siendo la carga neta +1(2x2/3 - 1/3 = +1). 

Los neutrones poseen un quark ascendente con carga (+2/3) y dos descendentes con carga (-1/3) cada uno siendo la carga neta cero (2/3 - 2x1/3 = 0). Los gluones son responsables de unir a los quarks entre sí. 

Los protones y los neutrones se mantienen unidos mediante interacción nuclear fuerte, la cual le otorga estabilidad al núcleo, a pesar de las fuerzas repulsivas de los protones. 

Los electrones están unidos al núcleo mediante interacción electromagnética.
La cantidad de protones en el núcleo está determinada por el número atómico (Z). El número atómico determina la posición del elemento químico en la tabla periódica, el número de electrones que posee un átomo neutro y el número de protones que posee el núcleo del átomo de un elemento en particular. Los núcleos atómicos no necesariamente tienen el mismo número de neutrones, ya que átomos de un mismo elemento pueden tener masas diferentes, es decir son isótopos del elemento.
  La antimateria esta compuesta de lo que se denomina antipartículas. Las antipartículas son  iguales a las partículas, pero con carga eléctrica  opuesta. Por ejemplo, la antipartícula del electrón es el positrón que es igual al electrón, pero con carga eléctrica  positiva. La mayoría de las partículas poseen una antipartícula. La antipartícula posee la misma masa y el mismo espín que la partícula, pero carga eléctrica contraria. Algunas partículas son idénticas a su antipartícula como, por ejemplo, el fotón que no tiene carga.

Se piensa que los átomos fueron creados después del Big Bang. A medida que el universo se fue enfriando se crearon las condiciones para la formación de los quarks y los electrones. Los quarks formaron los protones y neutrones que se agruparon y dieron origen a los nucleidos. Cuando el universo estuvo suficientemente frío los electrones perdieron velocidad y los nucleidos pudieron capturarlos dando origen a los átomos. 

Los primeros átomos fueron de hidrógeno y helio que siguen siendo los elementos más abundantes del universo.
El radio del átomo de hidrógeno calculado con el modelo de Bohr es 5,291 772 109 03(80) x 10^-11m.

Atmósfera estándar

Una atmósfera estándar equivale a 101325 Pa o 101325 Newton/m²

Angstrom

Es una unidad de longitud, utilizada especialmente para expresar la longitud de onda de la luz, y es igual a 1x10^-8cm

Anión

Ion cargado negativamente

Adiabático

Un proceso se dice adiabático cuando ocurre sin absorción y transferencia de calor a través de las fronteras del sistema, es decir, Q = 0. En un proceso adiabático, la comprensión siempre resulta en calentamiento y la expansión en enfriamiento.

Ácido:

Existen diversas definiciones de ácido. Algunas de ellas son debidas a Arrhenius, Lowry y Brönsted, Lewis, Lux-Flood, Usanovich... Todos estos conceptos son compatibles entre ellos. En esta entrada, utilizamos las definiciones de Arrhenius, Lowry y Brönsted y Lewis

Para Svante Arrhenius un ácido es una sustancia molecular que contiene hidrógenos y se disocia en el agua para producir uno o más iones hidrógeno (H⁺) (en realidad son iones oxidanio H₃O⁺).

Una base es una una sustancia molecular que posee  (OH) y se disocia en el agua para producir uno o más iones hidróxido (OH^-). 

Ejemplos de ácidos y bases son:

• HCl(aq) + H₂O(l) ⇌ Cl^-(aq) + H₃O⁺(aq)
• HNO₃(aq) + H₂O(l) ⇌ NO₃^-(aq) + H₃O⁺(aq)
• H₂SO₄(aq) + H₂O(l) ⇌ HSO₄^-(aq) + H₃O⁺(aq)
• NaOH(aq) ⇌ Na⁺(aq) + OH^-(aq)
• Ba(OH)₂(aq) ⇌ Ba⁺²(aq) + 2 OH^-(aq)
• Al(OH)₃(aq) ⇌ Al⁺³(aq) + 3 OH^-(aq)  

Arrhenius demostró sobre la base de medidas de la conductividad electrolítica de ácidos, bases y sales que la disociación de estas sustancias aumenta a medida que se diluye la solución. La disociación de  un electrolito es un proceso reversible, debido a que los iones originarios se vuelven a unir para formar de nuevo la molécula de partida. El equilibrio entre la molécula no disociada y los iones se desplaza a la derecha a medida que se diluye la solución. 

 Sustancias que, en solución acuosa, se disocian completamente en sus iones constituyentes, es decir, la forma molecular se transforma completamente en sus iones constituyentes se denominan electrolitos fuertes. Como estas sustancias están previamente ionizadas se dice que se disocian. Sin embargo, si la sustancia no está completamente disociada en sus iones constituyentes es un electrolito débil, es decir, parte de la forma molecular no se ioniza. Debido a que los electrolitos débiles no están previamente ionizados se dice que se ionizan. 

Ejemplos. 

Electrolito fuerte. Reacción de disociación, debido a que hidróxido de potasio está previamente ionizado. 

• KOH(aq) → K⁺(aq) + OH^-(aq) 

Electrolito débil. Reacciones de ionización, debido a que el ácido sulfuroso es débil y no está previamente ionizado. 

• H₂SO₃(aq) + H₂O(l) ⇌ HSO₃^-(aq) + H₃O⁺(aq) 
• HSO₃^-(aq) + H₂O(l) ⇌ SO₃^2-(aq) + H₃O⁺(aq)

La definición de Arrhenius requiere de un medio acuoso, las moléculas de ácido deben poseer H, las moléculas de base OH y no se aplica a iones. 

Lowry y Brönsted definieron a un ácido como cualquier compuesto que cede hidrógenos a otro compuesto. Amonio es un ácido, debido a que cede un hidrógeno al agua, y amoniaco es una base debido a que acepta un hidrógeno del agua. En general, si una sustancia se comporta como ácido, hay otra que se comporta como base para formar una reacción ácido-base. La reacción de una base con un ácido para formar una sal y agua se denomina neutralización. 

Ejemplo. 

NaOH(aq) + HCl(aq) → NaCl(aq) + H₂O(l) 

El agua se forma mediante la reacción del ion hidrógeno con el ion hidróxido. 

 OH^-(aq) + H⁺(aq) → H₂O(l) 

Cuando el ácido pierde el hidrógeno se convierte en su base conjugada. Cuando la base gana un hidrógeno se convierte en su ácido conjugado. 

Ejemplos:

NH₄⁺(aq)  + H₂O(l)⇌NH₃(aq) + H₃O⁺(aq)

Acido 1 + Base 1 ⇌ Base 2 + Ácido 2

NH₃(l) + H₂O(l)⇌NH₄⁺(aq) + OH^-(aq)

Base 1 + Ácido 1 ⇌ Ácido 2 + Base 2

Amonio es el ácido conjugado de la base amoniaco. En la reacción de la disociación con del amonio, el agua se comporta como base, pero en la ionización del amoniaco se comporta como ácido. 

El agua es un anfótero, debido a que se puede comportar como ácido y base a un mismo tiempo. Sustancias moleculares o iónicas que se comportan como ácido y base simultáneamente se denominan anfóteros. 

El agua se autoioniza mediante la siguiente reacción, y produce iones hidróxido y oxonio

       H₂O(l) + H₂O(l)⇌OH^-(aq) + H₃O⁺(aq)

       Acido 1 + Base 1⇌Base 2 + Ácido 2

En las siguientes reacciones, el hidrógenocarbonato(1-) es un anfótero. En la primera reacción es una base y en la segunda un ácido. 

Ácidos que se ionizan en varias etapas se denominan polipróticos. 

H₂CO₃(aq) + H₂O(l) ⇌ HCO₃^-(aq) + H₃O⁺(aq) 

HCO₃^-(aq) + H₂O(l)⇌CO₃^2-(aq) + H₃O⁺(aq)

El agua destilada es neutra, debido a que posee la misma concentración de iones oxonio e iones hidróxidos. El agua no destilada es ligeramente ácida, debido al dióxido de carbono del aire que reacciona con el agua formando ácido carbónico. 

Al añadir un ácido al agua destilada se aumenta la concentración de iones oxonio provocando un medio ácido, y la solución posee un pH < 7. 

Al añadir una base al agua destilada se aumenta la concentración de iones hidróxidos provocando un medio alcalino, y la solución posee pH > 7

El concepto de Lowry y Brönsted se puede aplicar a soluciones no acuosas. Por ejemplo, 

NH₄⁺  + S^2-→NH₃+ HS^-

NH₄⁺ +NH₂^-→2NH₃

H₃SO₄⁺ + HSO₄^- →2H₂SO₄

 

G. N. Lewis definió a un ácido como cualquier sustancia que acepta un par de electrones para compartir o formar enlace.

El tricloruro de boro es un ácido, debido a que el boro puede aceptar un par de electrones de otro átomo para adquirir la configuración de un gas noble, es decir, cumplir con la regla del octeto. Por tanto, un ácido es una sustancia acceptora de pares de electrones. 

El amoniaco es una base porque el nitrógeno posee un par de electrones sin compartir con otro átomo. Una base es una sustancia donadora de pares de electrones. 

Este concepto nos permite explicar un gran número de reacciones orgánicas y propiedades ácido-base de sustancias en medio no acuoso. 

Amoniaco 

Tricloruro de boro