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...
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, TA es la temperatura de fusión de la sustancia A (x=0), TB 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.
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 = dQreversible/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 > 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 CV,m Ln (T2/T1) + n R Ln (V2/V1)
S2 - S1 = n Cp,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.
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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 (Qp), es decir,
H2 - H1 = Qp
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 = nCp,m (T2 - T1)
U2 - U1 = nCv,m(T2 - T1)
Cp,m es la capacidad calorífica molar a presión contate y Cv,m es la capacidad calorífica molar a volumen constante.
Para un gas ideal,
Cp,m - Cv,m = R
En un cambio de estado físico la variación de entalpía es constante
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
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 (QV), es decir,
QV = 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.
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 (ma) 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 (Ar) del átomo por el valor de la constante de masa atómica (mu).
mu = 1,66053906660(50)x10-27kg
ma= (Ar)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 (Ar) 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.
Para poder calcular la masa atómica relativa del Al debemos asignarle un valor a Ar12C. Por convención se seleccionó el valor exacto de Ar12C=12 que corresponde a 6 protones y 6 neutrones o a una ma12C 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 (Ar) = (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.
