Soluciones

LAS SOLUCIONES.

Las soluciones poseen las siguientes características.

1.Son materiales homogéneos a simple vista y en un microscopio de alta resolución.

2.El diámetro de las partículas es comparable a los diámetro de los átomos, moléculas e iones, es decir, alrededor de 5 nm y, por tanto, no presentan el efecto Tyndall, debido a que las partículas de una solución no reflejan la luz.

3.Las soluciones filtran, no sedimentan y dializan.

4.Los componentes de una solución son el soluto o los solutos y un disolvente. El soluto o los sólutos son los componentes que se disuelven. El componente que disuelve se llama solvente o disolvente. Las proporciones de estos componentes se pueden variar hasta ciertos límites.

5.Cualquier porción de la solución posee la misma concentración y las mismas propiedades físicas y químicas.

6. Las propiedades de la solución dependen de su concentración.

7.Los componentes de una solución no se pueden separar mediante procedimientos mecánicos como, por ejemplo, filtración, sedimentación y centrifugación. Los componentes de la solución se pueden separar mediante procedimientos físicos como, por ejemplo, evaporación, destilación, cromatografía, electrólisis... También se pueden utilizar métodos químicos como la precipitación con reactivos...

8.Las soluciones pueden existir en los estados sólido, líquido y gaseoso. Las aleaciones, la solución de alcohol isopropílico y el aire son ejemplos de soluciones sólida, líquida y gaseosa, respectivamente.

9. En una disolución, puede haber desprendimiento o absorción de calor. El calor desprendido o absorbido por mol de soluto se denomina calor molar de solución.

10.Las soluciones se consideran cambios físicos, debido a que en un gran número de situaciones no hay reacción entre soluto y solvente. Sin embargo, en las disociaciones en medio acuoso de ácidos débiles y fuertes, bases débiles y fuertes y sales que hidrolizan ocurren reacciones de intercambio de protones entre el soluto y el solvente. Por ejemplo,

CH₃COOH +H₂O = CH₃COO^-+H₃O⁺

NH₃+H₂O = NH₄OH

CH₃COONa+H₂O = CH₃COOH+Na⁺+HO^-

HCl+H₂O→Cl^-+H₃O⁺

Recuerde que de acuerdo con las normas de la I.U.P.A.C. de 2005, podemos escribir al ion hidróxido como OH^- o HO^-

Dependiendo de los estados físicos del soluto y del solvente las soluciones se caracterizan de la siguiente manera:

◾Gas en gas. El soluto es gas y el solvente también. Ejemplo, todas las mezclas gaseosas se consideran soluciones.
◾Gas en Líquido. El soluto es un gas y el solvente es un líquido. Por ejemplo, dióxido de carbono disuelto en agua.
◾Gas en sólido. Un gas disuelto en un sólido. Por ejemplo, hidrógeno en paladio H₂/Pd.
◾Líquido en gas. No forman una solución, pero si forman un coloide (aerosol líquido).
◾Líquido en líquido. Un líquido disuelto en otro líquido. Ejemplo, etanol disuelto en agua.
◾Líquido en sólido. Un líquido disuelto en un sólido. Ejemplo, Amalgamas.
◾Sólido en gas. No forman solución, pero forman un coloide denominado aerosol sólido.
◾Sólido en líquido. Un sólido disuelto en un líquido. Ejemplo, azúcar en agua.
◾Sólido en sólido. Un sólido disuelto en otro sólido. Ejemplo, el acero y otras aleaciones.
◾Las soluciones pueden ser iónicas o moleculares. En una solución iónica el soluto está disociado en sus iones constituyentes. Ejemplo, NaCl en agua. En una solución molecular, el soluto se encuentra en forma molecular. Por ejemplo, azúcar en agua.

Unidades para expresar la concentración de las soluciones.
La concentración de una solución se puede expresar en términos cualitativos y en términos cuantitativos.

🔺TÉRMINOS CUALITATIVOS

Los términos cualitativos hacen referencia a la solubilidad del soluto. La solubilidad es la cantidad máxima de soluto que se puede disolver en 100 g de solvente a una temperatura dada. Las solubilidades de sólidos y líquidos dependen de la temperatura, y hay que especificar la temperatura al reportar las solubilidades de  sólidos y líquidos. Las solubilidades de los gases dependen de la temperatura y de la presión, y ambas magnitudes deben ser especificadas al reportar las solubilidades de los gases. Si la cantidad de soluto disuelto, a una temperatura dada, es menor que la solubilidad a esa temperatura, la solución es insaturada, es decir, en una solución insaturada el disolvente puede admitir más cantidad de soluto a la temperatura dada. Dentro de las soluciones insaturadas se utilizan los términos de solución diluida y solución concentrada. La solución es diluida si la cantidad de soluto es muy pequeña con respecto a la cantidad de solvente. La solución es concentrada si contiene una gran cantidad de soluto con respecto a la cantidad de solvente, pero sin llegar a la saturación. Si la cantidad de soluto disuelto, a una temperatura dada, es igual a la solubilidad del soluto a la temperatura dada, la solución es saturada, es decir, el solvente no admite más cantidad de soluto a la temperatura dada. Por tanto, una solución saturado es la solución que está en equilibrio con el precipitado. Para preparar una solución saturada, a una temperatura dada, añadimos soluto hasta que se forme un precipitado, la solución que está encima del precipitado es saturada a la temperatura dada. Una disolución sobresaturada contiene, a una temperatura dada, mayor cantidad de soluto disuelto del que determina la solubilidad a esa temperatura.  Para preparar una solución sobresaturada preparamos, a una temperatura dada, una solución saturada como fue indicado anteriormente, calentamos y agitamos hasta disolver el precipitado y posteriormente enfriamos hasta la temperatura inicial o temperatura donde comenzó el calentamiento.  Si no se vuelve a formar precipitado, la solución resultante está sobresaturada a la temperatura inicial dada. La solución sobresaturada se encuentra en un estado meta estable, y cualquier movimiento o cambio de temperatura exterior puede provocar la precipitación del soluto. Por evaporación o adición de cristales puede producirse una cristalización.
En biología, se utilizan los términos de solución hipotónica, solución hipertónica y solución isotónica. Una solución es hipotónica cuando su presión osmótica es menor que la presión osmótica de otra solución tomada como referencia, es decir, la solución es hipotónica con respecto a otra más concentrada. Por ejemplo, si se sumerge una célula en una solución hipotónica con respecto al líquido intracelular, habrá flujo de agua a través de la membrana celular desde la solución hacia el interior de la célula y la célula se hincha. La solución es hipertónica cuando su presión osmótica es mayor que la presión osmótica de otra solución tomada como referencia, es decir, la solución es hipertónica con respecto a otra más diluida. Si se sumerge la célula en una solución hipertónica con respecto al líquido intracelular, fluye agua del interior de la célula hacia la solución y la célula se contrae. Dos soluciones son isotónicas si poseen igual presión osmótica, es decir, ambas poseen igual concentración. En esta última situación, no hay modificación del volumen celular.

🔺TÉRMINOS CUANTITATIVOS

En términos cuantitativos, las soluciones se expresan en unidades físicas y en unidades químicas.

UNIDADES FÍSICAS DE CONCENTRACIÓN

Las unidades físicas de concentración no dependen de la naturaleza del soluto y solvente, pero dependen de las proporciones del soluto y la solución, es decir, de la fracción masa del soluto en la solución (w = m_soluto /m_solución), de la fracción volumen del soluto en la solución (φ = V_soluto /V_solución) y de la densidad de concentración del soluto en la solución (ρ_c = m_soluto /V_solución). Por tanto, las unidades físicas de concentración se expresan en %masa/masa (%m/m), %masa/volumen (%m/V), %volumen/volumen (%V/V), partes por millón (ppm) y partes por billón (ppb)

El porcentaje masa/masa se a la fracción masa del soluto multiplicada por 100, es decir, la masa de soluto presente en 100 g de solución.

El porcentaje masa /volumen es la densidad de concentración multiplicada por 100, es decir, masa de soluto presente en 100 mL de solución.

El porcentaje volumen/volumen es la fracción de volumen multiplicada por 100, es decir, volumen de soluto presentes en 100 mL.
Para soluciones muy diluidas y a temperaturas donde la densidad del agua es 1 g/mL, podemos definir las partes por millón y las partes por billón como ppm ~ mg de soluto/L de solución y ppb ~ microgramos de soluto/L de solución. 
En realidad, las ppm y las ppb son relaciones de masa. Por ejemplo, ppm = (mg de soluto/mg de solución)x10⁶. 

UNIDADES QUÍMICAS DE CONCENTRACIÓN

Las unidades químicas dependen de la naturaleza del soluto. Por ejemplo, si disolvemos las mismas masas de NaCl (cloruro de sodio) y KBr (bromuro de potasio) en el mismo volumen de solución, ambas soluciones poseen diferentes unidades químicas de concentración, pero iguales unidades físicas de concentración.
La I.U.P.A.C recomienda las siguientes unidades de concentración.

🔺Concentración. 
🔺Molalidad. 
🔺Fracción molar.

En química analítica,  se utilizan unidades como formalidad o concentración analítica, molaridad, normalidad y título. La I.U.P.A.C. no recomienda el uso de los términos  normalidad, molaridad y formalidad. Según la I.U.P.A.C expresar concentraciones como 0,5M, 2N, 0,1F...es incorrecto, debido a que M, N o F no son unidades. Aunque estas denominaciones han perdido popularidad siguen apareciendo en los textos de química general y química analítica.

La concentración es el número de moles de soluto contenidos en el volumen de solución expresado en m³. Se representa por la letra c minúscula.

c = n_s /V(m³)

n_s es el número de moles y V es el volumenen m³.

La molalidad (m) es el número de moles de soluto presentes en la masa del solvente expresada en kg.

m = n_s /m_solvente(kg)

La fracción molar (x_s) se refiere a moles de soluto contenidos en moles de solución.

x_s = n_s/(n_s+n_d)

n_s se refiere a mol de soluto.
n_d se refiere a mol de solvente

La molaridad (M) se refiere a moles de soluto contenidos en el volumen de solución expresado en litros, y se acostumbra el uso de la letra M para representarla.

 M = n_s /V(L)

La normalidad (N) se refiere al número de equivalentes de soluto presentes en el volumen de solución expresado en litros.

N = n_equivalentes /V(L)

El volumen depende de la temperatura y, por tanto, al reportar un valor de concentración, molaridad, formalidad o normalidad se debe especificar la temperatura. 
El problema con la normalidad es que requiere el conocimiento de la masa equivalente del soluto, y la masa equivalente depende del estado de oxidación de la especie bajo consideración y, por tanto, una misma sustancia puede poseer diferentes masas equivalentes. Por ejemplo, en el HNO₃ libre, la masa equivalente es la masa molar del ácido dividida entre el número de átomos de hidrógeno, es decir,  63 g/equivalente. Si el HNO₃ reacciona con cobre, se puede formar NO. En esta situación, el nitrógeno cambia su estado de oxidación desde 5+ en HNO₃ a 2+ en NO (gana 3 electrones) y la masa equivalente del HNO₃ es 63/3 =21g/eq. La I.U.P.A.C no acepta que una variable sea utilizada como patrón. Sin embargo, en algunos casos, el uso de la normalidad facilita los cálculos, y algunos textos siguen utilizando la normalidad.

La concentración analítica se refiere a la suma de todas las concentraciones de iones y moléculas que derivan de una misma especie. Por ejemplo, considere el ácido acético. El ácido acético en solución se disocia en iones acetato e iones oxonio (las recomendaciones de la I.U.P.A.C. del 2005 consideran el nombre de hidronio obsoleto, y no se debe utilizar). 

CH₃COOH + H₂O = CH₃COO^- + H₃O⁺

la concentración analítica del CH₃COOH es,

C_a = F =[CH₃COOH] + [CH₃COO^- ]. 

El corchete indica concentración en mol/L, mol/m³ o mol/dm³. 

La formalidad o concentración formal se refiere a la concentración analítica. La formalidad suministra información acerca de cómo la solución fue preparada inicialmente, pero no implica necesariamente lo que le ocurre al soluto después de ser disuelto. La molaridad se refiere, específicamente, a las concentraciones de equilibrio de las moléculas e iones presentes en la solución después de disolver el soluto. Por tanto, formalidad y molaridad no son necesariamente dos términos sinónimos. Por ejemplo, una solución 1F de ácido  acético, debido a su disocian, posee al alcanzarse el equilibrio iónico una molaridad menor a 1F. 

[CH₃COOH] = 1F - [CH₃COO^-]. 

A pesar de lo comentado algunos autores no establecen diferencias entre molaridad y formalidad.

El título es la masa de soluto por mL de solución o la masa de reactivo que reacciona con el soluto contenido en un mL de solución. Por ejemplo, 4,7500 mg de hierro(2+) son oxidados a hierro(3+) por 1,0000 mL de solución de KMNO₄. Por tanto 4,7500 mg de hierro(2+)~1,0000 mL de KMNO₄.

Coloides

COLOIDES.

Los coloides son materiales que lucen homogéneos a simple vista, pero vistos en un microscopio de alta resolución son heterogéneos. Es decir, a simple vista no se aprecian sus componentes, pero vistos en un microscopio de alta resolución se pueden apreciar sus componentes. 

Los coloides poseen una fase dispersa y una fase dispersante. Las fases dispersa y  dispersante son equivalentes al soluto y solvente de una solución, respectivamente. Los diámetros de las partículas que forman a los coloides oscilan entre 5 a 100nm, que corresponden a diámetros de partículas superiores a los diámetro de los átomos, moléculas e iones, pero inferiores a los diámetros de las partículas de mezclas que a simple vista son heterogéneas como las mezclas groseras y las suspensiones. 

Los coloides se caracterizan por:

◾Presentan el efecto Tyndall, es decir, las partículas de los coloides reflejan la luz que incide sobre ellas.

◾La presión osmótica es muy pequeña.

◾La  disminución de la temperatura de fusión y el aumento en la temperatura de ebullición son muy pequeñas.

◾Son muy buenos adsorbentes, debido a su superficie, y pueden ser catalizadores muy apropiados. Por ejemplo, la sílice y la alúmina son muy buenos adsorbentes para el agua y otras sustancias polares.

◾ Pueden poseer una carga eléctrica característica sobre su superficie y, por tanto, pueden presentar electroforesis.

◾Normalmente no sedimentan.

◾Poseen diversas aplicaciones. Por ejemplo, se utilizan en medicina para estudiar los tejidos. En la industria, se utilizan en el teñido de tejidos, curtido de pieles, preparación de lubricantes, conservar alimentos. producción de plásticos...Una gran mayoría de las reacciones que ocurren en la naturaleza se realizan en mezclas coloidales. 

Dependiendo de los estados físicos de las fases dispersa y dispersante, los coloides los clasificamos como:

🔺Aerosoles sólidos y líquidos. Un aerosol sólido es un sólido disperso en un gas. Un aerosol líquido es un líquido disperso en un gas. El humo y la calima son ejemplos de aerosoles sólidos. La neblina y las nubes son ejemplos de aerosoles líquidos. 

🔺Un gas disperso en un líquido o en un sólido forman coloides denominados espuma líquida y espuma sólida, respectivamente. Ejemplos, espuma de afeitar y piedra pómez.

🔺Un líquido disperso en otro líquido forma una emulsión. La leche, el queso, mayonesa... son ejemplos de emulsiones. El queso es un ejemplo de una emulsión sólida.
Un líquido disperso en un sólido forma un gel. Las gelatinas y las jaleas son ejemplos de gel.

🔺 Un sólido disperso en un líquido o en un sólido forman un sol líquido y un sol sólido, respectivamente. Por ejemplo, la tinta china y el rubí son ejemplos de sol líquido y sol sólido, respectivamente.

División de los compuestos orgánicos

Los compuestos orgánicos se dividen en dos grandes series denominadas serie alifática y serie  aromática.

La serie alifática está formada por un gran grupo de sustancias orgánicas que son aceitosas y gracientas (recuerde que los aceites son líquidos y las grasas son sólidas).

El término aromático proviene de una clasificación muy antigua de las sustancias orgánicas que consistía en agrupar las sustancias que poseen aroma en un grupo. Por ejemplo, el ácido acético, la acetona, el etanol... se consideraban aromáticas, debido a que emiten aromas. En la actualidad, el término aromático no guarda relación con esta clasificación antigua. Actualmente se considera que un compuesto aromático es una estructura cíclica que debe poseer 2, 6, 10, 14, 18, 22... 4n +2  electrones pi(π) delocalizados, es decir, debe cumplir con la regla 4n+2 sobre electrones pi(π) delocalizados de Hückel, anillos planos, dobles enlaces conjugados, presentan resonancia... El principal representante de los aromáticos es el benceno. El benceno es una estructura resonante que posee la fórmula condensada C₆H₆ (seis átomos de carbono y seis átomos de hidrógeno), 6 electrones pi(π) delocalizados, 3 dobles enlaces conjugados, híbridación sp², molécula plana, el anillo es resistente al ataque de diversos reactivos, líquido a temperatura ambiente, menos denso que el agua, hierve a 80,1°C y funde a 5,45°C... La siguiente figura muestra dos estructuras posibles para el benceno, pero la verdadera estructura es una estructura resonante, es decir, una estructura intermedia que posee la misma fórmula condensada que las otras dos, es isoelectrónica con las otras dos, pero difieren en la posición de los dobles enlaces. La estructura resonante se representa mediante una estructura hexagonal y un aro en el centro. 

Dos formas de formular al benceno

Estructura resonante del benceno

Los compuestos alifáticos se dividen en hidrocarburos. Los hidrocarburos son compuestos formados exclusivamente por carbono e hidrógeno, y pueden ser acíclicos o no cíclicos y cíclicos. Los hidrocarburos acíclicos no poseen anillo, mientras los hidrocarburos cíclicos poseen uno o varios anillos, pero no cumplen con la regla de Hückel. Los hidrocarburos acíclicos se dividen en alcanos (todos los enlaces son simples), alquenos (poseen un enlace doble entre átomos de carbono) y los alquinos (poseen un triple enlace entre átomos de carbono).

En la siguiente figura, se comparan etano (alcano),  etene (alqueno) y etino (alquino). 

La siguiente figura muestra las fórmulas y nombres IUPAC de alcanos ramificados. 

Los alifáticos cíclicos pueden ser cicloalcanos (enlaces simples entre átomos de carbono), cicloalquenos (enlace doble entre átomos de carbono y cicloalquinos (enlace triple entre átomos de carbono). 

En la siguiente figura, se muestran las fórmulas y nombres de algunos cicloalcanos. 

Fórmulas de cicloalcanos. Los puntos oscuros son átomos de carbono y los blancos átomos de hidrógeno. 

Como se puede apreciar todos los enlaces son simples. 

Si eliminamos dos hidrónes a dos átomos de carbonos vecinos de un cicloalcano, y añadimos otro enlace a estos dos átomos de carbono se obtiene un cicloalqueno. Si eliminamos dos átomos de hidrógeno a dos átomos de carbonos vecinales de un cicloalcano, y añadimos dos enlaces a estos dos átomos de carbono se obtienen un cicloalquino. Recuerde que los alifáticos no poseen el anillo bencénico en su estructura. 

Comparación de hexano y benceno 

Al reemplazar un hidrón del hidrocarburo alifático por otro átomo o grupo de átomos se obtienen derivados alifáticos. Si se reemplaza un halógeno, se obtienen los haluros de alquilo, haluros de vinilo y haluros de alilo. Al reemplazarar un hidrón del hidrocarburo alifático por -OH obtenemos los alcoholes.... Basados sobre el elemento o grupo reemplazante clasificamos a los alifáticos en halógenados, oxígenados, nitrogenados, sulfurados... Ejemplos de oxígenados son éteres, alcoholes, aldehídos, cetonas, ésteres, ácidos y sales orgánicas... Ejemplos de nitrógenados son los nitrilos, aminas, amidas, iminas, nitro compuestos... Los tioles y otros son ejemplos de compuestos orgánicos alifáticos sulfurados. 

La siguiente figura muestra un ejemplo de una amina alifática de nombre: 3-metilpentan-2-amina y el ácido alifático ácido etanoico o ácido acético. 

Amina alifática de nombre 3-metilpentan-2-amina 

Ácido alifático de nombre ácido acético o ácido etanoico. 

Los grupos característicos determinan las propiedades de las sustancias orgánicas. Por ejemplo, el grupo característico de un alcohol es - OH, el de una amina es - NH₂, el de un ácido es - COOH, el de una amida es - CONH₂, el de una cetonas es =O, el de un aldehído - CH=O... 

Los aromáticos se dividen en hidrocarburos aromáticos (formados exclusivamente por carbono e hidrógeno) y derivados aromáticos como, por ejemplo, los haluros de arilo, arilifáticos, los oxígenados aromáticos (fenoles, aldehídos, cetonas, éteres, ésteres, ácidos, sales... ) y los nitrógenados aromáticos (aminas, amidas, nitrilos, iminas, nitro...).

La siguiente figura muestra diversos hidrocarburos policíclicos aromáticos fusionados. 

Fórmulas y nombres de algunos hidrocarburos aromáticos fusionados. 

La siguiente figura muestra dos hidrocarburos aromáticos de un anillo. 

Ejemplos de hidrocarburos aromáticos de un anillo. 1-metilbenceno y 1,2-dimetilbenceno. 

El primer compuesto se denomina metilbenceno o tolueno. El segundo compuesto se denomina 1,2-dimetilbenceno u orto-dimetilbenceno. 

Las siguientes figuras muestran las fórmulas y nombres de otros compuestos aromáticos. 

Ejemplos de compuestos aromáticos con diferentes grupos característicos. 

Oxidación y reducción

Oxidación es la pérdida de electrones. Reducción es la ganancia de electrones.

Mostramos los pasos para realizar el balanceo de la siguiente semirreacción de oxidación, que ocurre en medio básico. 

Cl₂ +OH^-→ClO₃^- + H₂O 

1. Planteamos la semirreaccion considerando las especies que cambian su estado de oxidación. El dicloro de estado de oxidación cero (todo elemento aislado posee estado de oxidación de cero) pasa a clorato de carga 1- . El estado de oxidación del cloro en el clorato es 5+.
Cl₂ →ClO₃^-
2. Balanceamos los átomos de cloro multiplicando el clorato por 2.
Cl₂→2ClO₃^-

3. Balanceamos los átomos de oxígeno añadiendo 6 mol de H₂O en el lado deficiente en átomos de oxígeno. Al añadir agua estamos también anadiendo átomos de hidrógeno. Balanceamos estos átomos de hidrógeno añadiendo 12 mol de iones H⁺ en el lado deficiente en átomos de hidrógeno.

Cl₂ + 6H₂O→2ClO₃^- + 12H⁺  (a)

Pasamos a medio básico considerando que para neutralizar 12H⁺debemos añadir 12OH^-
12H⁺ + 12OH^-→12H₂O (b)

Sumamos miembro a miembro (a) y (b), y obtenemos
Cl₂ +12OH^-→2ClO₃^- + 6H₂O  

4.Balanceamos las cargas añadiendo electrones.  En los reactantes, hay 12 cargas negativas. En los productos, hay 2 cargas negativas. Para que haya el mismo número de cargas en ambos lados de la semirreacción añadimos 10e^- en el lado de los productos. 

Cl₂ +12OH^-→2ClO₃^- + 6H₂O +10e^-

Otros ejemplos de semirreacciones de oxidación son:

Mn²⁺+ 4OH^-→MnO₂ + 2H₂O + 2e^-

H₂→2H⁺+ 2e^-

Cu→Cu²⁺+ 2e^-

I₂+ 3H₂O→2IO₃^- + 6H⁺+ 4e^-

H₂O₂→O₂+ 2H⁺+2e^-

Mostramos los pasos para balancear la siguiente  semirreacción de reducción, que ocurre en medio ácido. 

NO₃^- + H⁺→NO + H₂O

1. Planteamos la semirreacción considerando las especies que cambian el estado de oxidación. El nitrato de carga 1- pasa a monóxido de nitrógeno de carga 0. El nitrógeno en el nitrato posee el estado de oxidación de 5+ y en el monóxido de nitrógeno 2+.
NO₃^-→NO 

2. Balanceamos los átomos de oxígeno añadiendo 2 mol de H₂O en el lado deficiente en átomos de oxígeno.
NO₃^-→NO + 2H₂O

3. Balanceamos los átomos de hidrógeno añadiendo 4 mol de iones H⁺ en el lado deficiente en átomos de hidrógeno.
NO₃^- + 4H⁺→NO + 2H₂O

4.Balanceamos las cargas. En los reactantes, hay una carga negativa y cuatro cargas positivas. Por tanto, añadimos 3e^- para hacer un total de cuatro cargas negativas y neutralizar las cuatro cargas positivas. 

NO₃^- + 4H⁺+ 3e^-→NO + 2H₂O

Otros ejemplos de semirreacciones de reducción son:

Cr₂O₇^2- +14H⁺ + 6e^-→2Cr³⁺+ 7H₂O

MnO₄^- + 8H⁺+ 5e^-→Mn²⁺+ 4H₂O

SO₄^2- + 4H⁺+ 2e^-→SO₂ + H₂O
Br₂ + 2e^-→2Br^-

Como se puede apreciar en los ejemplos, la forma reducida (R) → Forma oxidada (O)+ electrones  (e^-)  

                           R→O + ne^- (n=1,2,3...) 

La forma oxidada (O) + electrones (e^-) → Forma reducida (R). 

                          O + ne^- → R (n=1,2,3...)

El agente oxidante es el elemento, sustancia o ion que causa la oxidación, y contiene al elemento que se reduce.

El agente reductor es el elemento, sustancia o ion que causa la reducción, y contiene al elemento que se oxida.

En una reacción de oxidación y reducción, debe haber como mínimo una reducción y una oxidación. Es decir, no puede ocurrir una oxidación sin que ocurra simultáneamente una reducción o viceversa. 

Para balancear una ecuacion de oxidación y reducción existen dos métodos. El método del cambio del número de oxidación o método del cambio de valencia y el método del ion electrón. Consideremos primero el método del cambio del número de oxidación o método del cambio de valencia. 

Nota. Hacer clic sobre las imágenes para visualizarlas mejor. 

EJEMPLO 1. 

Método del cambio de valencia

El agente reductor es PbS, debido a que contiene al elemento que se oxida, que es S. 

El agente oxidante es ácido nítrico, debido a que contiene al elemento que se reduce que es N. 

 EJEMPLO 2.

Método del ion electrón 

El agente oxidante es el dicromato(2-), y el agente reductor es hierro(2+)

En general,

O₁ + ne^-→R₁ (O forma oxidada y R forma reducida)
R₂ →O₂ + me^-

Multiplicamos la primera por m y la segunda por n  para igualar el número de electrones, y sumamos ambas semirreacciones. 

mO₁ + nR₂ → mR₁ + nO₂

Ejemplo,

Cu²⁺ + 2e^-→Cu 
Al →Al³⁺ + 3e^-

Multiplicamos la primera por 3 y la segunda por 2, y sumamos ambas semirreacciones

3Cu²⁺ + 2Al →3Cu + 2Al³⁺

Note que Cu²⁺ es O₁, Cu es R₁, Al es R₂ y Al³⁺ es O₂

Materia, volumen y masa

De una forma escueta podemos definir la materia como todo aquello que ocupa un lugar en el espacio y posee masa. Al indicar que la materia ocupa un lugar en el espacio queremos decir que la materia posee volumen, es decir, el volumen es el espacio ocupado por la materia. El espacio que ocupa un material en un momento dado no puede ser ocupado por otro material en ese momento. 

La unidad del Sistema Internacional de Unidades (SI) para el volumen es el metro cúbico. Un metro cúbico es el espacio ocupado por un cubo de arista un metro.

Los gases no poseen ni forma propia ni volumen propio. Por tanto, el volumen de un gas está determinado por la capacidad del recipiente que lo contiene. Los gases se dilatan por efectos de la temperatura, y también son compresibles. Por tanto, al medir el volumen de un gas hay que indicar la temperatura y la presión a la que se ha realizado la medición.

Los líquidos poseen volumen propio, pero no poseen forma propia. Para medir en química el volumen de los líquidos se utilizan algunos instrumentos básicos como el cilindro o probeta graduada, la pipeta Fisher, la pipeta volumétrica, la bureta y el matraz o balón aforado.

Pipeta volumétrica, bureta y matraz aforado

Los líquidos se dilatan por efectos de la temperatura, y hay que especificar la temperatura de la medición del volumen. Los líquidos son prácticamente incompresibles, pero si la presión es muy elevada se debe especificar la presión.

Los sólidos poseen forma propia y volumen propio. Para determinar el volumen de un sólido se pueden utilizar varios procedimientos. Por ejemplo, si el sólido posee forma regular se pueden aplicar las fórmulas de geometría.

Fórmulas para calcular el volumen de sólidos regulares 

Si el sólido es irregular e insoluble en agua, podemos utilizar el método del desplazamiento de agua. En una probeta, introducimos cierta cantidad de agua e introducimos con mucho cuidado el sólido. El sólido debe estar completamente sumergido en el agua. Al introducir el sólido en la probeta aumenta el volumen de agua. El aumento en el volumen de agua es el volumen del sólido

                               ΔV = V_f - V_o 

Volumen final o volumen después de introducir el sólido = V_f    

Volumen inicial o volumen antes de introducir el sólido = V_o 

Cálculo del volumen de un sólido irregular 

 Por ejemplo, el volumen del objeto dado en la figura es, 

         ΔV = V_f  - V_o  = 22 mL - 16 mL = 6 mL

 El volumen del objeto es 6 mL. 

Si el sólido irregular es soluble en agua, hay que utilizar un líquido en el que el sólido  sea insoluble, y operamos de igual forma a la anterior. 

Para medir el volumen hay que considerar la capacidad del instrumento, la apreciación del instrumento, el menisco y el error. 

La capacidad del recipiente es la máxima cantidad de líquido que se puede medir. 

La apreciación es la menor lectura que se puede realizar en un instrumento de medida.

A = (L_M - L_m)/N°de divisiones entre lecturas 

A = apreciación, L_M = lectura mayor y L_m= lectura menor.

El menisco es la curvatura que presenta la superficie libre de un líquido al estar contenido en un recipiente. Para medir el volumen se traza una línea imaginaria tangente a la curva. El intercepto de esta línea tangente con la lectura del tubo es el volumen del líquido.

Formas de medir el menisco 

El menisco es un efecto capilar que depende de las fuerzas cohesivas (atracción entre moléculas iguales), de las fuerzas adhesivas (atracción entre moléculas diferentes), de la naturaleza del líquido y de su tensión superficial.
La tensión superficial es la fuerza de tracción que se ejerce perpendicularmente por unidad de longitud  sobre un segmento recto situado en la superficie del líquido. Se expresa en N/m. 

                                 σ = F/L

 σ  es la tension superficial,  F es la fuerza y L es longitud. 

La tensión superficial es el resultado de las fuerzas que ejercen las moléculas interiores del líquido sobre las moléculas superficiales y las fuerzas resultantes de las sustancias en contacto con el líquido. La tensión superficial disminuye a medida que aumenta la temperatura, y depende de la clase de líquido y del fluido en contacto con la superficie del líquido. 

Al introducir un tubo capilar en un el líquido el líquido sube por el tubo capilar hasta que la fuerza de gravedad equilibre las fuerzas adhesiva y cohesiva. La altura del menisco medida desde la superficie del líquido hasta la curvatura del menisco disminuye con la densidad del líquido y con el radio del tubo capilar, pero aumenta con la tensión superficial del líquido.

Dependencia de la altura

Balace de fuerzas:

Fuerza de tensión superficial = Peso del fluido

                  1. σLcosα = mg
                2. L=2πr; 3. mg= πr²hdg

Reemplazar 2 y 3 en la ecuación 1 y despejar para h. 

                     h= 2σcosα/dgr

α es el ángulo que forma la fuerza de la tensión superficial con la normal. Para agua este ángulo vale cero. σLcosα es la componente vertical de la fuerza de tensión superficial.
El menisco puede ser cóncavo o convexo. En el menisco cóncavo, la curvatura es hacia abajo. En el menisco convexo, la curvatura es hacia arriba. El menisco cóncavo se debe a que las fuerzas cohesivas entre las moléculas del líquido son menores que las fuerzas adhesivas entre las moléculas del vidrio y las moléculas del líquido. Por tanto, el vidrio atrae la superficie del líquido provocando una depresión en la superficie central del líquido y una elevación de la superficie del líquido en las vecindades de la pared del vidrio. En el menisco convexo, ocurre lo contrario. Las fuerzas cohesivas entre las moléculas del líquido son mayores que las fuerzas adhesivas entre las moléculas del vidrio y líquido. Por tanto, se observa una elevación en la superficie central del líquido y una depresión de la superficie del líquido en la vecindad de la  pared del vidrio. El agua y muchas otras sustancias presentan menisco cóncavo. El mercurio presenta menisco convexo. 

El error es la incertidumbre de una medición. Los errores se clasifican en errores determinados y errores indeterminados. 

Los errores determinados son sistemáticos y se puede determinar las fuentes del error. Por ejemplo, errores personales, errores instrumentales, errores del método...

En los errores indeterminados, no se conocen plenamente las fuentes del error y, por tanto, no pueden ser controlados por el investigador. Este tipo de error es casual o accidental, y debe
tratarse mediante una rama de las matemáticas denominada Cálculo de Probabilidades.
Los errores sistemáticos afectan la exactitud de los resultados. Los errores indeterminados afectan la consistencia entre valores o la precisión.
La exactitud es la diferencia entre el valor individual de una medición y el valor aceptado como verdadero. Se puede expresar como error absoluto, error relativo, entre otras formas.
Se denomina error absoluto a la siguiente diferencia 

                Error absoluto = x_i - x_v

x_i es un valor individual y x_v es el valor aceptado como verdadero.
El error relativo expresado en % o en partes por mil es el error absoluto dividido entre el valor aceptado como verdadero.

       Erelativo = (x_i - x_v)100/x_v (en porcentaje)
    Erelativo = (x_i - x_v)1000/x_v (en partes por mil) 

Precisión es una medida de la repetitividad del resultado de una medición. Se obtiene mediante repeticiones del experimento operando en cada repetición de la misma manera. Se expresa frecuentemente mediante la desviación estándar. 

Fórmula para calcular la desviación estándar 

s es la desviación estándar, x_i es un valor individual y x̄ es el valor promedio.

 La masa es la cantidad de materia que existe. La masa es una medida de la resistendencia que ofrece la materia a modificar su estado de reposo o de movimiento. 

La unidad para expresar la masa en el SI es el kg. Para medir la masa se utiliza la balanza.
La masa depende de la velocidad. En el mundo macroscópico, no se nota tal dependencia, pero en el mundo microscópico, es decir, en el mundo de átomos y partículas subatómicas hay que diferenciar la masa de la partícula en reposo de la partícula en movimiento. La masa de la partícula aumenta con su velocidad. La ecuación que describe la dependencia de la masa con la velocidad es, 

                         m = m_o/√[1 - (v/c)²]

m_o es la masa en reposo, m es la masa en movimiento, v es la velocidad y c es la velocidad de la luz (c = 299 792 458 m/s). 
La materia posee comportamiento dual, es decir, en algunas situaciones experimentales se comporta como una onda y en otras condiciones experimentales se comporta como materia. Por ejemplo, J. J. Thomson determinó la relación carga/masa para un electrón y Millikan determinó la carga de un electrón. Basados en estos dos experimentos se determinó la masa de un electrón, es decir, el comportamiento del electrón como corpúsculo o materia.  George Paget Thomson (hijo de J. J. Thomson) logró obtener el espectro de difracción  de los electrones. La difracción es una propiedad que presentan todas las radiaciones electromagnéticas. La difracción es un proceso mediante el cual rayos paralelos de radiación electromagnética se curvan al pasar por un orificio. 

a                                          b
a. Espectro de difracción de Rayos X.
b. Espectro de difracción de electrones

Los espectros de difracción son presentados solamente por  las radiaciones electromagnéticas. Por tanto, J. J. Thomson y su hijo demostraron que los electrones presentan comportamientos de particula y onda. Louis de Broglie había propuesto este comportamiento dual de la materia. Según de Broglie la longitud de onda asociada con la masa es,

                                   λ = h/mv

 λ es la longitud de onda, v es la velocidad, h es la constante de Planck y m es la masa. 

Louis de Broglie 

          h = 6, 626 070 040(81) x 10 ^{- 34} J s. 

Las reacciones nucleares han puesto de manifiesto que la masa se tranforma en energía, pero la energía también se puede transformar en masa. En reacciones químicas ordinarias, no se observa esta transformación de la masa en energía y, por tanto, la suma de las masas    de los reactantes es igual a la suma de las masas de los productos como lo establece la ley de Lavoisier, ley de Lomonosov o ley de la conservación de las masas. En las reacciones nucleares, la ley de Lavoisier no se cumple, debido a que la masa se tranforma en energía. La relación entre la masa convertida en energía y la energía producida está dada por la ecuación de Einstein    

                                E = mc²

E es la energía, m es la masa convertida en energía y c es la velocidad de la luz. Es decir, la masa no se pierde, debido a que se transforma en energía, y la energía no se pierde, debido a que se transforma en masa. Por tanto, masa y energía son dos términos equivalentes.

De acuerdo con la ecuación anterior, la conversación de una masa pequeña puede generar una gran cantidad de energía, pero para generar una pequeña masa es necesario una gran cantidad de energía. La importancia de la energía nuclear es que una masa pequeña puede generar gran cantidad de energía. 

Basados sobre estos comentarios podemos dar una definición más completa de la materia.
La materia posee volumen y masa, el espacio ocupado por un material en un momento dado no puede ser ocupado por otro material en ese momento, está formada por la unión de átomos y moléculas, ofrece resistencia al movimiento, no se pierde solo se transforma, es interconvertible en energía, tiene comportamiento dual de materia y onda y se presenta en los estados sólido, líquido y gaseoso (el plasma es también llamado cuarto estado de agregación de la materia tras los estados sólido, líquido y gaseosa). 

No debemos confundir masa con peso. La masa es la cantidad de materia que existe (m = F/a), mientras el peso es la fuerza con la que la tierra atrae a los cuerpos (P = mg) . La masa se mide con la balanza, mientras la fuerza se mide con el dinamómetro. La masa se expresa en kg, mientras que el peso, por ser una fuerza, se expresa en Newton (N). La masa no se anula y el peso si se puede anular.
La relación entre la masa (m) y el volumen (V)  se denomina densidad (d). La densidad es una propiedad característica de la materia. 

                             d = m/V

Las densidades de sólidos y líquidos dependen de la temperatura, y hay que especificar la temperatura al reportar las densidades del líquidos y sólidos. La densidad de un gas depende de la temperatura y de la presión, y ambas magnitudes deben ser especificadas al reportar la densidad de un gas. 

Formas de la tabla periódica

Tabla de MENDELEYEV. Primera tabla periódica. Publicada en Rusia en 1869 y traducida al alemán 

Tabla periódica. Editada en Moscú en 1966

Tipo calendario MAYA

Tipo ESPIRAL

Tipo TORRE 

Tipo CORTA

Tipo I. U. P. A. C. AÑO 2020

Química y método científico

Como habíamos dicho en la entrada de química, la química es la rama de la ciencia que se encarga de estudiar la materia con respecto a sus propiedades, estructura, composición, cambios físicos y químicos y la energía envuelta en estos cambios.

La química es una ciencia porque está formada por un conjunto de leyes y principios obtenidos mediante la aplicación rigurosa del método científico. Un concepto más dinámico es considerar la química como una ciencia que busca continuamente variables que permiten explicar la realidad del objeto problema.
El método científico es un conjunto de etapas realizadas de una manera metódica y sistemática que permite obtener conclusiones a partir de una observación. Aunque se pueden incluir diversas etapas, las etapas básicas son:

🔸Observación
🔸Formulación del problema
🔸Hipótesis
🔸Diseño del experimento para afirmar o negar las hipótesis
🔸Análisis e interpretación de los resultados
🔸Conclusiones
🔸Publicación de los resultados 

La observación consiste en la adquisición de una experiencia a través de nuestros sentidos o mediante un instrumento sobre un hecho o fenómeno. 

La formulación del problema consiste en las interrogantes de investigación o preguntas de investigación. El uso de preguntas de investigación es la manera más fácil y directa de formular un problema. 

La hipótesis de investigación es contestar las preguntas de investigación sin haber realizado la investigación, es decir, un supuesto que debemos afirmar o negar a través de la experimentación.

Los supuestos para responder las preguntas de investigación se basan sobre la experiencia, intelecto e intuición del investigador, investigación exploratoria previa y de la información publicada sobre el problema de investigación. 

El diseño experimental consiste en los experimentos requeridos para recopilar los datos necesarios que permiten verificar las hipótesis.

El análisis consiste en describir y resumir los datos, identificar la relación entre variables, comparar variables e identificar la diferencia entre variables. Es decir, analizar los elementos básicos de la información y examinarlos con el propósito de responder a las distintas hipótesis planteadas en la investigación. La interpretación es el proceso cognitivo que realiza el investigador para encontrar un significado más amplio de la información empírica recabada y poder emitir conclusiones sobre las hipótesis planteadas. 

Las conclusiones son los argumentos y afirmaciones sobre el objeto problema y basados sobre los resultados experimentales. La conclusión debe incluir la afirmación o negación de la hipótesis o las razones para afirmar o negar la hipótesis. 

El conocimiento estático es menos útil que el conocimiento que fluye a través de los medios de comunicación (revistas, journals, Internet...) y, por tanto, es necesario publicar los resultados para que otras personas puedan utilizarlos.