introducciÓn a la quÍmica - editorialpatria.com.mx · símbolos de lewis y enlaces covalentes . ....

México, 2014

GRUPO EDITORIAL PATRIA

INTRODUCCIÓN A LA

QUÍMICAY EL AMBIENTE

Salvador Mosqueira Pérez Salazar

PRIMERA EDICIÓN EBOOK

ii

Grupo Editorial Patria®División Bachillerato, Universitario y Profesional

Dirección editorial: Javier Enrique Callejas

Coordinación editorial: Alma Sámano Castillo

Revisión técnica: Alex Polo Velázquez

Diseño de interiores y portada: Juan Bernardo Rosado Solís

Supervisor de preprensa: Miguel Ángel Morales Verdugo

Diagramación: Jorge Martinez Jiménes / Gustavo Vargas Martinez

Fotografías: Thinkstock

Ilustraciones: Carlos León Chávez / Perla Alejandra López Romo / Victor Sandoval Ibañez

INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA Y EL AMBIENTE

Derechos reservados:

© 2014, Salvador Mosqueira Pérez Salazar© 2014, GRUPO EDITORIAL PATRIA, S.A. DE C.V.

ISBN ebook: 978-607-744-065-9

Renacimiento 180, Col. San Juan Tlihuaca,Delegación Azcapotzalco, Código Postal 02400, México, D.F.Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial MexicanaRegistro núm. 43

Queda prohibida la reproducción o transmisión total o parcial del contenido de la presente obra en cualesquiera formas, sean electrónicas o mecánicas, sin el consentimiento previo y por escrito del editor.

Impreso en México / Printed in Mexico

Primera edición ebook: 2014

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iiiGrupo Editorial Patria

PRÓLOGO PARA LA TERCERA EDICIÓNDurante la primera década de este siglo xxi, el mundo ha sido testigo de grandes cambios en los patrones del clima global, así como de un desarrollo inusitado, pero aún insufi ciente, de las energías sustentables que sustituirán a la energía obtenida de combustibles fósiles, generadores de la mayor parte de los gases invernadero causantes de esas alteraciones climáticas.

Sin embargo, los eventos ocurridos recientemente en Copenhague y Cancún con relación a las negociaciones entre los países para abatir la emisión de gases inver-nadero, muestran la necesidad de lograr resultados verdaderamente tangibles en los acuerdos internacionales sobre el cambio climático. Aunque los ofrecimientos de reducción de esas emisiones de la mayoría de los países pueden contribuir para evitar que el aumento de temperatura sea mayor de 2 grados Celsius en el siglo xxi, de acuerdo a los científi cos no ha sido sufi ciente y todavía se requieren disminuir las emisiones en 5 gigatoneladas (5 3 109 toneladas) para lograr ese objetivo. Es importante mencionar que la necesidad de reducir también las emisiones de negro de humo y de los precursores de ozono en la troposfera, ha recibido, comparativa-mente, mucha menor atención, pese a que los investigadores han encontrado que al reducir esos contaminantes lograremos, en el largo plazo, mitigar el cambio climáti-co, y en el corto plazo, mejorar la salud humana y la seguridad alimentaria.

Por otro lado, durante este siglo se prevé que se agotará la disponibilidad de petróleo, lo que ha obligado a que se establezca un diálogo global para hacer que la economía mundial sea más “verde” a través de tecnologías no contaminantes y sustentables para la generación de energía. Mientras que la mayoría de los países han renovado sus compromisos para trabajar hacia la sustentabilidad ambiental y han acorda-do estrategias globales para lograrlo, a su vez el sector privado está respondiendo con inversiones y tecnología, en las nuevas oportunidades de negocio en el desarro-llo de las energías renovables, que durante la década 2000-2010 tuvieron un creci-miento exponencial.

La rápida expansión de las tecnologías móviles (fotovoltaica, molinos de viento ca-seros, etcétera), crea la necesidad de que los ciudadanos participen en la toma de decisiones de carácter ambiental, lo que los obliga a adquirir los conocimientos científi cos que les per-mitan abordar este tema y aún más, participar en la recolección de datos o información para un monitoreo de la biodiversidad ambiental.

Hoy día la infl uencia humana se extiende hasta en las partes más remotas de los océanos. El océano ha llegado ser un gran basurero para muchos de los desperdicios que generamos. Ahí se encuentran por ejemplo, una gran cantidad de plásticos y aunque su papel como contaminante del océano todavía no ha sido defi nido con exactitud, es obvio colegir que es un riesgo potencial para los ecosistemas y salud de los humanos. Para reducir la cantidad de contaminantes que entran en el océa-no se deben mejorar los aspectos del manejo de desperdicios y endurecer las políticas de control existentes al respecto.

No todo son malas noticias ya que si revisamos las tendencias regionales y globales observaremos que hay algunas áreas, como el uso de energía renovable y la dismi-nución del agotamiento de la capa de ozono, en los que hubo notorio progreso (ver ilustraciones de las Unidades 1 y 2).

El propósito de esta segunda edición es transmitir a los profesores y estudiantes de bachillerato, los avances ambientales y energéticos logrados durante la década del 2000 al 2010, así como, en contrapartida, los retrasos que se tienen en temas tan importantes como el cambio climático y las emisiones de gases invernadero, en especial el dióxido de carbono proveniente de los combustibles fósiles.

Introducción a la química y el ambiente

iv

Estamos seguros que esta obra forma parte de un conjunto de información global que encontrará un amplio interés de parte de los estudiantes de bachillerato, quie-nes serán en un futuro muy cercano, los ciudadanos que decidan y apoyen los pro-gramas ambientales y energéticos de nuestro país, y cumplamos así los compromisos de sustentabilidad en el ambiente y la energía, que México ha fi rmado y debe cumplir, en el concierto de las naciones.

El Autor

vGrupo Editorial Patria

PRÓLOGO PARA LA TERCERA EDICIÓN . . . . . . . . . . iii

LA QUÍMICA EN NUESTRO ENTORNO . . . . . . . . . . . vii

UNIDAD 1La energía, la materia y los cambios 2

Energía, motor de la humanidad . . . . . . . . . . . . . . . . 4Noción de energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4Energía potencial y cinética . . . . . . . . . . . . 5Transferencia y transformación de la energía 5Calor, trabajo y temperatura . . . . . . . . . . . . 8

La materia y los cambios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20Clasificación de la materiaSustancias puras: elementos y compuestosMezclas: homogéneas y heterogéneas . . . . 27Ley de la conservación de la materia . . . . . 48

El Sol, horno nuclear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61Radiactividad y desintegración nuclear . . . 64Rayos alfa, beta y gamma . . . . . . . . . . . . . . 66Espectro electromagnético . . . . . . . . . . . . . 76Planck, la energía y los cuantos . . . . . . . . . 79Espectro del átomo de hidrógeno y teoría atómica de Bohr . . . . . . . . . . . . . . . 81Fisión y fusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84Ley de la interconversión de la masa y la energía . . . . . . . . . . . . . . . . 88

El hombre y su demanda de energía . . . . . . . . . . . . . 95Generación de energía eléctrica. Análisis de beneficios y riesgos del consumo de energía . . . . . . . . . . . . . . . 97Energías limpias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

UNIDAD 2Aire, intangible pero vital 126

¿Qué es el aire? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

Mezcla homogénea indispensable para la vida. Composición porcentual de N2, O2, CO2, Ar y H2O . . . . . . . . . . . . . . 131El aire es ligero, sin embargo, pesa. Propiedades físicas de los gases . . . . . . . . . 134Leyes de los gases: Boyle, Charles y Gay-Lussac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137Teoría cinética-molecular de los gases ideales . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142Mol, Ley de Avogadro, condiciones normales y volumen molar . . . . . . . . . . . . . 145

Reactividad de los componentes del aire . . . . . . . . . . 154Algunas reacciones del N2, O2 y CO2 . . . . . 155Reacción del oxígeno con metales y no metales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157Tabla periódica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161Símbolos de lewis y enlaces covalentes . . . 168

Calidad del aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183Principales contaminantes y fuentes de contaminación . . . . . . . . . . . . 186Ozono y alotropía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196Las radiaciones del Sol y el esmog fotoquímico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197El ozono y el esmog fotoquímico . . . . . . . . 199Inversión térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205Medición de la calidad del aire . . . . . . . . . . 206Precipitación ácida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207Repercusión del CO2 en el ambiente . . . . . 212La revolución energética requerida para combatir el cambio climático (Copenhague) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217Adelgazamiento de la ozonósfera . . . . . . . 219Responsabilidad de todos y cada uno de nosotros en la calidad del aire . . . . . . . . 226

UNIDAD 3Agua: ¿de dónde, para qué y de quién? 234

Tanta agua y podemos morir de sed . . . . . . . . . . . . . 236La distribución del agua en nuestro planeta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236

CONTENIDO


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Calidad del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239Fuentes de contaminación La demanda bioquímica de oxígeno (DBO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241

Importancia del agua para la humanidad . . . . . . . . . . 252Agua para la agricultura, la industria y la comunidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252Purificación del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254

El porqué de las maravillas del agua . . . . . . . . . . . . . . 262Estructura y propiedades de los líquidos. Modelo cinético molecular de los líquidos . 262Propiedades del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . 264Composición del agua. Electrólisis y síntesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270Influencia del agua en la regulación del clima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273Soluciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274Electrólitos y no electrólitos . . . . . . . . . . . . 285Ácidos y bases; pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287Neutralización y formación de sales . . . . . . 300¿De quién es el agua? . . . . . . . . . . . . . . . . . 303

UNIDAD 4Corteza terrestre, fuente de materiales útiles para el hombre 308

Minerales, ¿la clave de la civilización? . . . . . . . . . . . . 310Formación de iones coloridos . . . . . . . . . . . 328Propiedades magnéticas . . . . . . . . . . . . . . . 329Estado sólido cristalino . . . . . . . . . . . . . . . . 343Enlace iónico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348Cálculos estequiométricos . . . . . . . . . . . . . 353Relaciones mol-mol y masa-masa . . . . . . . . 356

Petróleo, un tesoro de materiales y energía . . . . . . . . 363Importancia del petróleo para México . . . . 365Hidrocarburos: alcanos, alquenos y alquinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367Energía de los combustibles fósiles.Combustiones y calor de combustión . . . . . 373Refinación del petróleo . . . . . . . . . . . . . . . . 375El petróleo: fuente de materias primas . . . 376Los alquenos y su importancia en el mundode los plásticos. Etileno y polietileno . . . . . 378

La nueva imagen de los materiales . . . . . . . . . . . . . . . 382La ciencia de los materiales. Los materiales del futuro . . . . . . . . . . . . . . . 382

Materiales cerámicos, cristales líquidos, polímeros, plásticos y materiales superconductores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383Usos de las fibras sintéticas . . . . . . . . . . . . 405Materiales superconductores . . . . . . . . . . . 409Trenes con levitación magnética . . . . . . . . . 411

Suelo, soporte de la alimentación . . . . . . . . . . . . . . . . 412Perfil del terreno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414C, H, O, N, P y S en la naturaleza . . . . . . . . 416El pH y su influencia en los cultivos . . . . . . 420

La conservación o destrucción de nuestro planeta . . . 423Consumismo-basura-impacto ambiental . . 428Reducción, reutilización y reciclaje de basura . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436Responsabilidad en la conservación del planeta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444

UNIDAD 5Alimentos, combustible para la vida 450

Elementos esenciales para la vida . . . . . . . . . . . . . . . . 452Tragedia de la riqueza y de la pobreza: exceso y carencia de alimentos . . . . . . . . . . 454Minerales. Macro y microminerales . . . . . . 459Vitaminas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466

Fuentes de energía y material estructural . . . . . . . . . . 470Energéticos de la vida: Carbohidratos, estructura y grupos funcionales . . . . . . . . . 474Almacén de energía: Lípidos, estructura y grupos funcionales . . . . . . . . . 480Proteínas, su estructura y grupos funcionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483Requerimientos nutricionales . . . . . . . . . . . 488

Conservación de los alimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494Aditivos y conservadores . . . . . . . . . . . . . . 494Saborizantes de alimentos . . . . . . . . . . . . . 496Congelación, calor, desecación, salado, ahumado, edulcorado y al alto vacío . . . . . . . . . . . . . . 498Protección de los alimentos . . . . . . . . . . . . 508

GLOSARIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514

ÍNDICE ANALÍTICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527

BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537

viiGrupo Editorial Patria

La Química en nuestro entornoEl mundo de la QuímicaPor los medios de comunicación, principalmente revistas, periódicos o televisión, y por experiencia, mucha gente ha “aprendido” que los productos químicos son contaminantes y tóxicos, y por tanto, perjudiciales. Esta creencia no debe sorpren-dernos, ya que las noticias por lo general sólo hablan de “derrames o fugas de productos químicos tóxicos”, sin entrar en mayores detalles, o “advierten” peligros por los productos químicos contaminantes en el ambiente (en el aire, agua y suelo) sin especifi car su origen ni su verdadero nivel de toxicidad. De hecho, algunos produc-tos químicos son tóxicos y no sólo eso, sino peligrosamente tóxicos, como lo fueron los gases venenosos utilizados en la Primera Guerra Mundial (y en otras guerras recientes), el ántrax (que es una bacteria con propiedades bioquímicas letales) en-viado por correo por terroristas lunáticos a partir de 2001 —sin fi nes bélicos, pero igualmente peligrosos—, o los productos químicos que se desprenden de algunos microorganismos, que crecen en alimentos enlatados no pasteurizados o sin recu-brimiento interno y que causan un severo envenenamientvo en esos alimentos.

No obstante, el conocimiento de la Química no sólo es saber qué sustancias quími-cas pudieran ser dañinas. Ni tampoco estar al día de las maravillas que la Química en nuestro mundo moderno nos ha proporcionado, tales como medicinas que curan las que otrora fueron enfermedades incurables como la fi brosis cística, la malaria y la ebola por sólo citar algunas; telas sintéticas (como las hechas a base de poliéster, poliacrilonitrilo y poliamidas) con aspecto, durabilidad y costo mejores a las que utilizaron nuestros abuelos; plásticos súper resistentes (como materiales compues-tos de fi bra de vidrio, resinas y metales), que se utilizan en las carrocerías de los automóviles para disminuir su peso y ahorrar combustible, etcétera.

En vez de eso, te sugerimos que pienses en la Química con la actitud de lo que te puede proporcionar, pero no en una forma egoísta, sino como un ciudadano que vive en una sociedad que se desarrolla en este mundo fascinante de la Química.

Las primeras fotografías de la Tierra tomadas desde la Luna nos proporcionaron un formidable recordatorio de que la Tierra y sus materiales no son infi nitos (fi gura A.1). El universo de la Química realmente sólo tiene un interés: los materiales que nuestro planeta nos proporciona y el uso racional que de ellos hagamos.

Desde un punto de vista globalizado, algo (o un mu-cho, según lo desees) del conocimiento de la Química te será muy útil en el manejo de los grandes temas sociales que se presentarán en el siglo xxi. La pobla-ción de la Tierra sigue aumentando a tasas mayores que las previstas. Se espera que los aproximadamen-te 6 000 millones de habitantes que había en el año 2000 se incrementen al doble en el 2050. ¿Cómo se podrá alimentar, vestir y dar alojamiento a esa po-blación? ¿Cómo podemos racionalizar y optimizar el uso de los materiales que nuestro planeta nos proporciona? ¿Cómo revertir el daño hecho por no conocer las consecuencias de nuestras actividades? En fi n, ¿cómo podemos evitar hacerle más daño a nuestro planeta?

Asimismo, el conocimiento de la Química le da una nueva dimensión a nuestra vida diaria. Si un anun-cio proclama que un producto “no contiene produc-tos químicos”, ¿qué te da a entender el anuncio del producto y sus fabricantes?

¿Es válido pagar el doble, o más, por un producto agrícola “orgánico” (como el café “orgánico”)?, aquél

Es ta fo to gra fía (to ma da des de la Lu na por los tri pu lan tes de Apo lo 11 el 20 de ju lio de 1969) mues tra a la Tie rra par cial men te ilu mi na da ele ván do-se so bre el ho ri zon te lu nar. La Tie rra es tá apro xi ma da men te a 400 000 km de dis tan cia.

Figura A.1

La química en nuestro entorno


viii

que no utilizó ningún ingrediente químico en sus etapas de desarrollo y venta, es decir, que es “totalmente natural” (algunas veces lo es, la mayoría de las veces no).

¿Sabías que si almacenas productos de limpieza que contengan amoniaco en solu-ción acuosa junto con un blanqueador de hipoclorito de sodio, tienden a reaccionar desprendiendo un gas muy tóxico?

La Química dentro del marco de las ciencias naturalesConsideremos primero un tema muy interesante, que fue el encabezado de muchos pe-riódicos nacionales y extranjeros en 1994. El inicio de las consideraciones legales para utilizar el ácido desoxirribonucleico (ADN) como prueba de culpabilidad en un juicio.

El ADN es un compuesto químico que se encuentra en las células de nuestros cuer-pos, y su análisis proporciona un equivalente a la huella digital (es específi co y dis-tintivo para cada ser humano).

Comparando el análisis del ADN de una muestra de sangre o de otro material bioló-gico dejado en la escena del crimen con una muestra biológica del sospechoso, ésta se puede utilizar como una prueba defi nitiva de inocencia o culpabilidad.

La Química a menudo ha sido defi nida como el estudio de la materia y los cambios que ésta puede sufrir. Si analizas esta defi nición, aunque sea de una manera some-ra, te convencerás que el conocimiento de la Química es fundamental para enten-der todo lo que sucede en la naturaleza. Con este conocimiento de los materiales de la naturaleza, los químicos pueden modifi car la materia y sintetizar nuevas clases de materia.

Históricamente, las ciencias naturales han estado relacionadas con la observación de la naturaleza, es decir, del mundo físico y biológico que nos rodea. Una clasifi ca-ción tradicional de las ciencias naturales se representa en la fi gura A.3, en la que se ha dado énfasis a la relación de la Química con otras ciencias. Sin embargo, con los

sangre sangremanchabiológica

manchabiológica

sangre delpadre hijo madre

Secuenciaobtenidapara unaprueba

comparativade ADN

Secuenciaobtenidapara una

prueba deperfil

de ADN

extracciónde ADN

corte enzimático

electrofóresis

transferencia

hibridación

luminiscencia

a) b) c)

Existe una prueba altamente específi ca que permite obtener alelos de solamente un lugar de la cadena del ADN, la cual nos permite identifi car la culpabilidad de un asesino, en la fi gura a) existe una igualdad de distribución entre la sangre del sospechoso y la mancha biológica encontrada en el lugar de un crimen. En la fi gura b) no existe igualdad entre la sangre y la mancha o muestra biológica. En la fi gura c) se presenta la prueba de paternidad mediante el ADN. El hijo tiene un alelo del padre y otro de la madre, por lo tanto, es hijo de ambos.

Figura A.2

ixGrupo Editorial Patria

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x

avanzados medios tecnológicos de los que ahora se dispone, las separaciones entre ellas se vuelven cada día más insignifi cantes. El carácter dinámico de la ciencia se ilustra con el surgimiento de nuevas disciplinas, y ahora existen profesionistas que son iden-tifi cados como biofísicos, químicos bioinorgánicos, geoquímicos, fi sicoquímicos y hasta paleontologistas moleculares (que utilizan métodos químicos modernos para analizar artefactos o restos antiguos).

El estudio del ADN es hoy día una de las áreas frontales de la cien-cia. Es raro que pase algún tiempo sin que aparezca en los medios de comunicación el reporte de algún nuevo descubrimiento, ya sea el de la causa de una enfermedad hereditaria, la introducción de un nuevo producto, o hasta de seres vivos derivados de los es-tudios de ingeniería genética (fi gura A.4) (por ejemplo la clonación).

En 1953, los investigadores ingleses James Watson y Francis Crick propusieron la estructura del ADN. Poco tiempo después se iden-tifi có al ADN como el portador de la información genética que se transmitía de una generación a la siguiente (fi gura A.5), si bien

desde 1862 ya se conocían los patrones hereditarios (modelo de Mendel). Después de ese intenso periodo de estudio de la naturaleza química del ADN, el enfoque actual se ha extendido a investigar cuáles son las funciones del ADN en las células vivientes y cómo pueden ser manipuladas para obtener los resultados deseados, ta-les como la curación de enfermedades heredadas, o la manufactura de medicinas y drogas que salven nuestra vida mediante bacterias controladas por ingeniería gené-tica. Asimismo, la prueba del ADN, o sea la determinación de la composición exacta del ADN de un individuo, es una herramienta analítica (fi gura A.2) que, junto con otras que proporciona la química analítica, son utilizadas por los químicos forenses en la investigación de algún delito.

Ciencia y tecnología. El método científi coVeamos ahora una historia acerca de algo que directamente nos afectó, y nos afecta a todos —tanto como lo hace una prueba de ADN para localizar células enfermas—, la necesidad de convertir el sistema de aire acondicionado de los automóviles, al uso de un nuevo refrigerante. La refrigeración —una útil aplicación tecnológica de la termodinámica— ha sido utilizada desde fi nes del siglo xix. Este proceso requiere de un fl uido que absorba calor conforme se evapora, y desprenda calor cuando se con-densa, y que pueda reciclarse continuamente, sufriendo evaporaciones y condensa-ciones sin que se descomponga. A principios del siglo xx, los fl uidos utilizados eran en su mayoría muy infl amables o tóxicos. En una ocasión, el director de investigación y desarrollo de una de las dos más grandes empresas fabricantes de automóviles de ese tiempo, pidió a sus colaboradores un nuevo refrigerante que no tuviera esos inconvenientes. La primera tarea a la que se dedicó el grupo fue recolectar toda la información existente, tales como tablas con datos obtenidos en los laboratorios químicos de investigación, y combinar esta información con una investigación biblio-gráfi ca de las variaciones sistemáticas de las propiedades de los elementos químicos. El resultado de este análisis, expresado con las mismas palabras del coordinador de esta investigación, que fi nalmente resultara increíblemente exitosa, fue:

“Aparentemente, nadie había considerado antes la posibilidad de que el fl úor* pudiera no ser tóxico en alguno de sus compuestos. Esta posibilidad había sido ciertamente descartada por los ingenieros en refrigeración. Si el problema tuviera que ser resuelto con un solo compuesto, y no una mezcla, entonces ese compuesto contendría fl úor sin duda alguna...”

* El elemento químico flúor (F) es el gas más reactivo y tóxico que se conocía (y se conoce), de ahí la aventurada predicción de este ingenioso investigador.

La clo na ción o co pia do de los seis be ce rros de la fo to gra fía fue trans gé ni co, es de cir, fue ron ani ma les ge né ti ca men te mo di fi ca dos pa ra pro ducir en su le che pro teí nas nor mal-men te de ori gen far ma céu ti co.

Figura A.4

El ADN es el por ta dor de la in for ma-ción ge né ti ca que se trans mi te de una ge ne ra ción a la si guien te.

Figura A.5

xiGrupo Editorial Patria

Iniciaron entonces sus experimentos en la búsqueda de un nuevo compuesto quí-mico que contuviera fl úor. Como el fl úor estaba escaso, compraron lo que había disponible: cinco pequeñas botellas. Una de las botellas fue utilizada para hacer la primera muestra del nuevo producto químico que contenía fl úor. Sigamos con el relato de nuestro investigador:

“Un conejillo de indias fue colocado bajo una campana que contenía el nuevo produc-to sintetizado (que en su composición predominaba el fl úor) y, ante la sorpresa del médico veterinario que lo había traído, no emitió ningún sonido ni tampoco se murió. De hecho, no mostró ninguna irritación. Nuestras predicciones se habían cumplido totalmente.”

Sin embargo, una segunda muestra hecha con el material inicial proveniente de una botella diferente sí mató al conejillo de indias. Aquí había un problema que tenía que ser resuelto. Después de una cuidadosa investigación, se encontró que solamente la primera botella contenía el material sintetizado puro. Había sido un contaminante el que había matado al conejillo de indias y no el nuevo producto preparado por nues-tro investigador, quien comentó lo siguiente con relación a este hecho:

“De las cinco botellas... solamente una contenía el material correcto. Nosotros habíamos escogido por azar la que lo contenía para nuestro primer experimento. Si hubiéramos es-cogido cualquiera de las otras cuatro botellas, el animal hubiera muerto como lo hubiera esperado quienquiera en todo el mundo, a excepción de nosotros. Creo que habríamos re-nunciado a lo que nos hubiera parecido entonces como una costosa pérdida de tiempo.”

La moraleja de este pequeño relato es tan simple como ésta: Uno debe de contar con suerte, así como de un buen equipo humano, para tener éxito en el estudio de la química aplicada.

El producto de estos experimentos dio lugar a la proliferación de refrigeradores en to-dos los hogares y supermercados. La descomposición de los alimentos prácticamente fue eliminada, y después de la Segunda Guerra Mundial, la industria procesadora de alimentos se expandió a la producción de alimentos congelados (fi gura A.6).

Así, ésta es una historia de éxito —el desarrollo de compuestos clorofl uorocarbona-dos, a menudo conocidos como CFC—, como refrigerantes mucho menos peligrosos. A lo largo de las décadas de 1950 y 1960, su uso se expandió a una gran cantidad de productos de consumo (que no tenían necesariamente que ver con la refrigeración) que se vendían en el mercado. Por ejemplo, se encontró que los CFC tenían pro-piedades que los hacían ideales para su uso como propulsores de los líquidos con-tenidos en los botes de aerosol, y para hacer pequeños orifi cios en materiales tales como la espuma de poliuretano, utilizada en almohadas y relleno de muebles.

Sin embargo, el problema creado por los aparentemente exitosos CFC no salió a la superfi cie sino hasta la década de 1970, por-que nadie estaba consciente del destino fi nal de estos compuestos tan estables cuando se desprendían al medio ambiente. Fue duran-te la década de 1980, que ya había llegado a ser completamente claro que los CFC llega-ban sin ninguna transición a la estratosfe-ra (una explicación más detallada de todo este proceso será dada posteriormente en el capítulo 3), donde interaccionaban con el ozono y lo destruían (fi gura A.7). El resultado de esta reacción disminuye la cantidad de ozono de la estratosfera, aumentando el da-ño potencial por un incremento de radia-ción solar (en especial la ultravioleta) que llega a la superfi cie de la Tierra.

El de sa rro llo de to do ti po de ex pen de do res de ali men tos con ge la dos fue ex traor di na-rio a par tir de me dia dos del si glo XX.

Figura A.6



xii

En 1987, las naciones que producían CFC crearon un plan de acción para que la producción industrial de este compuesto que todavía era requerida cesara total-mente para 1995. La razón de que todavía fuera necesaria su producción era que el refrigerante CFC conocido como R-12, que se utilizaba en casi todos los autos que se habían hecho antes de 1992, y el nuevo conocido como R-134a, no eran compatibles. Un auto diseñado para usar R-12, no podía usar R-134a, a menos que el sistema se modifi cara, lo cual era costoso. Entonces, la decisión económica era la predominan-te para cualquiera que tuviera un automóvil de esos años, y que su auto tuviera una fuga del gas refrigerante en su sistema de aire acondicionado.

Todo lo anteriormente expresado nos sirve para identifi car las distinciones entre la ciencia básica o la investigación básica, y la ciencia aplicada y la tecnología. Ciencia básica o investigación básica, es la búsqueda del conocimiento del universo, sin tener por lo general en mente a corto plazo objetivos prácticos para la aplicación de los conocimientos adquiridos. Los bioquímicos que se esforzaron durante años para entender exactamente cómo funciona el ADN dentro de las células estuvieron ha-ciendo fundamentalmente ciencia básica.

La ciencia aplicada tiene un objetivo bien defi nido y a corto plazo: resolver un pro-blema específi co. La búsqueda de un mejor refrigerante por Thomas Midgley y su equipo de colaboradores en General Motors, es un ejemplo excelente de ciencia aplicada. Ellos tenían perfectamente claro su objetivo y los elementos para lograrlo. Para llegar a ello, como se hace en ciencia básica o en ciencia aplicada, recurrieron a los datos y observaciones registradas de estudios efectuados anteriormente para formular una hipótesis, y entonces llevaron a cabo experimentos para probarla. Los

La luz ultravioleta al incidir sobre una molécula de clorofluorocarbono (CFC), como el CFCl3, separa un átomo de cloro dejando el CFCl2

El átomo de cloro ataca una molécula de ozono (O3) y le quita un átomo de oxígeno, dejando una molécula de oxígeno (O2)

Resumen de reacciones:

CCl3F 1 UV ⎯→ Cl 1 CCl2F

Cl 1 O3 ⎯→ ClO 1 O2 ClO 1 O ⎯→ Cl 1 O2

Un átomo de oxígeno libre separa el átomo de oxígeno de la molécula de monóxido de cloro para formar O2

El átomo de cloro y el átomo de oxígeno se unen para formar una molécula de monóxido de cloro (ClO)

Una vez libre, el átomo de cloro puede atacar otra molécula de ozono y empezar el ciclo de nuevo

Sol

Radiaciónultravioleta

Repetidas muchas veces

⎫⎬⎭

Figura A.7

m Resumen simplifi cado de cómo los clorofl uorocarbonos (CFC) y otros compuestos que contienen cloro y fl úor destruyen el ozono de la estratosfera. Hay que observar que los átomos de cloro y fl úor están continuamente regenerándose conforme reaccionan con el ozono, actuando entonces como catalizadores, es decir, como un producto químico que acelera la velocidad de las reacciones sin que ellos mismos sean partícipes en la reacción. Los átomos de bromo desprendidos de compuestos que contienen bromo también destruyen el ozono por medio de un mecanismo similar.

xiiiGrupo Editorial Patria

pasos anteriores son exactamente los que se llevan a cabo en el método científi co, que veremos al fi nalizar este tema.

La tecnología también es una aplicación del conocimiento científi co, y aunque es un poco más complicado defi nirla, en esencia es la suma de las formas en que se aplica la ciencia en el contexto de nuestra sociedad, nuestro sistema económico y nuestra industria. Los primeros refrigeradores y aires acondicionados diseñados para usar los CFC fueron producto de una nueva tecnología. El número de aplicaciones que se ha expandido rápidamente para manejar el ADN y hacer nuevas medicinas u otros productos comerciales, están contenidos en una rama de la tecnología que se conoce como biotecnología.

Es muy importante anotar que, no importando el tipo de descubrimiento científi -co, siempre (o casi siempre) existe un lapso de tiempo más o menos largo entre el descubrimiento y su aplicación tecnológica. Los periodos de incubación de un cierto número de aplicaciones de varios tipos de descubrimientos científi cos se muestran en la tabla A.1.

Tabla A.1. Tiempo necesario para desarrollar la tecnología de algunas ideas fructíferas.

Innovación Concepción Realización Años de “incubación”

Antibióticos 1910 1940 30

Celofán 1900 1912 12

Cisplatin (droga contra el cáncer) 1964 1972 8

Marcapasos del corazón 1928 1960 32

Maíz híbrido 1908 1933 25

Cámara instantánea 1945 1947 2

Café instantáneo 1934 1956 22

Energía nuclear 1919 1945 26

Nylon 1927 1939 12

Fotografía 1782 1838 56

Radar 1907 1939 32

Síntesis de la droga para la recombinación del ADN 1972 1982 10

Relojes automáticos 1923 1939 16

Reproductores de video 1950 1956 6

Fotocopiadoras 1935 1950 15

Rayos X en medicina Dic. de 1895 Ene. de 1896 29 días

Como la historia de los CFC nos muestra, la ciencia y la tecnología, y también las condiciones sociales, constantemente cambian. Cuando los CFC fueron introduci-dos como refrigerantes en 1930, fueron un gran avance para la economía y reem-plazaron materiales peligrosos. Además, el número de naciones tecnológicamente avanzadas (al menos para producir CFC) y la población mundial eran pequeñas (comparativamente a la del año 2000). La gente pensaba que los procesos de la na-turaleza podrían mantener un medio ambiente saludable y, hasta cierto punto, eso era cierto. Aún más, algunos de los complicados instrumentos que han revelado el agotamiento de la capa de ozono no estaban disponibles en esa época.



xiv

Como mencionábamos antes, la producción de los CFC es un magnífi co ejemplo de aplicación del método científi co. Como en la mayoría de las actividades del esfuer-zo humano, la ciencia ha desarrollado también métodos formales, comprobados a través del tiempo, para resolver problemas. Fue mediante la aplicación rigurosa del método científi co que fueron descubiertos los CFC. El método científi co incorpora observaciones, hipótesis, experimentos, teorías y leyes. Los científi cos hacen observaciones de los hechos que acompañan a los fenómenos naturales. Posteriormente, tratan de explicar sus observaciones desarrollando hipótesis. Las hipótesis son modelos des-criptivos de las observaciones. Una hipótesis es útil en tanto permita explicar lo que los científi cos observan en muchas situaciones.

Con objeto de aprender más sobre la hipótesis, los científi cos por lo general realizan experimentos, en los cuales una o más de las variables o condiciones del experimento se mantienen controladas o constantes. Un principio importante de un experimen-to es que pueda ser repetido cuantas veces se requiera. Las observaciones que se derivan del experimento son registradas mediante su medición, obteniéndose un conjunto de datos. Cuando las observaciones o los datos experimentales no encajan dentro de la hipótesis, ésta es rechazada o modifi cada, y una hipótesis nueva o de-purada se somete nuevamente a experimentación. La interacción entre la hipótesis y los experimentos juega un papel relevante, ya que la hipótesis guía en un principio los experimentos, pero dependiendo de los resultados obtenidos, los investigado-res pueden llevar a la modifi cación o establecimiento de una nueva hipótesis. Si el conejillo de indias de la experiencia del Sr. Midgley hubiera pasado a la posteri-dad como una hipótesis fallida, seguramente este señor hubiera sacado fuerzas de fl aqueza y establecido una nueva hipótesis que de cualquier forma hubiera dado como resultado otra estructura de compuestos clorofl uorocarbonados (y con ello la disminución de la capa de ozono).

Una vez que una hipótesis pasa la prueba de verifi cación por una experimentación intensiva, puede ser elevada a la categoría de teoría. Una teoría es un modelo pro-bado profusamente, que explica por qué con los experimentos se obtienen ciertos resultados. En ciertas ocasiones una teoría no puede ser probada (al menos con los re-cursos actuales). No obstante, las teorías son muy útiles, porque nos ayudan a vi-sualizar mentalmente los objetos o procesos que no pueden ser vistos. Un ejemplo relevante de teoría es la teoría cinética molecular, que nos permite explicar mul-titud de cambios físicos y químicos. Aún más, una teoría nos permite predecir el comportamiento de los sistemas naturales bajo circunstancias diferentes a las de las observaciones originales.

Otro producto de la investigación científi ca es la ley científi ca. Una ley científi ca es un enunciado preciso, que resume los resultados de una amplia variedad de obser-vaciones y experimentos. Una ley científi ca es diferente a una teoría, ya que esta última no sólo describe el fenómeno natural, sino que, además, intenta explicar-lo. Las leyes científi cas a menudo se expresan con simples relaciones matemáti-cas. Su razón de ser corresponde al comportamiento de la naturaleza, por lo que generalmente no aparecen como obvias de una manera inmediata. Por ejemplo, el enunciado de la Ley de Boyle: “El volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión ejercida sobre él”, cumple con este criterio (y es derivada de la teoría cinética de los gases).

La fi gura A.8 muestra el esquema de la interrelación de actividades en el método científi co.

Por último, es importante mencionar que, aunque los científi cos utilizan los mismos hechos científi cos, a menudo están en desacuerdo en la forma en que el conoci-miento científi co debería ser usado. Por ejemplo, un químico puede crear un nuevo producto químico para su uso como pesticida, mientras que otro apunta los peligros (sobre todo ecológicos o ambientales) del mismo producto.

xvGrupo Editorial Patria

Preguntas

Contesta las siguientes preguntas y comenten en equipos las respuestas.

1. ¿Cuál es tu punto de vista con relación a la importancia del mundo de la Quí-mica? Enumera cuatro actividades muy importantes a las que los químicos (científi cos y tecnólogos) deberán atender prioritariamente en el siglo xxi.

2. Realiza un mapa conceptual especifi cando las áreas de estudio que compo-nen las ciencias naturales.

3. ¿Cuáles son los enfoques actuales en el estudio del ADN? Explica brevemente en qué consiste la ingeniería genética y la clonación.

4. ¿Cuáles son tus conclusiones sobre la invención de los compuestos cloro-fl uorocarbonados (CFC)? ¿Cuáles fueron las razones principales por las que no se consideraron sus posibles efectos dañinos? ¿Cuándo y quiénes fueron los primeros científi cos que apuntaron sus consecuencias? ¿Hasta cuándo durarán sus efectos nocivos? (Puedes investigar en Internet).

5. ¿Cuáles son las características de la ciencia básica y de la ciencia aplicada? ¿Cómo se puede defi nir a la tecnología?

6. Describe brevemente las diferentes actividades que constituyen el método científi co. Menciona un ejemplo de aplicación del mismo en las ciencias am-bientales, puede ser en la elaboración de un plan para mejorar la selección y disposición de basura en tu colonia o delegación.

Este esquema del método científi co muestra cómo las observaciones experimentales nos llevan al desarrollo de hipótesis y teorías. Una ley científi ca resume los resultados de muchos experimentos, pero no explica el porqué del comportamiento observado; ésa es la función de la hipótesis y la teoría.

Observaciones Experimentos Ley

Observaciones Hipótesis Experimentos

Teoría

Figura A.8


La energía, la materia y los cambios1

UNIDAD

Contenido

1 Energía, motor de la humanidad

2 La materia y los cambios

3 El Sol, horno nuclear

4 El hombre y su demanda de energía

Del análisis efectuado en el 2010 por la Agencia Internacional de Energía (IEA por sus siglas en inglés) para determinar las perspectivas de suministro de energía en el periodo comprendido entre 2010 y 2035, destacamos la siguiente observación:

• La elevación de los precios de los combustibles fósiles en los mercados internacionales y consecuen-temente de sus derivados y el incremento de las penalidades económicas que se han establecido en muchos países por la utilización de combustibles fósiles, ha derivado en políticas nacionales para el ahorro y efi ciencia energética y el cambio a otras fuentes de energía, en especial, la energía renovable. Esto permitirá que pese a que la demanda global de energía para el año 2035 aumenta en un 36%, el petróleo, carbón y gas natural sólo participarán con la mitad de ese aumento.

Asimismo del UNEP (United Nations Environmental Programme) Year Book 2011 hace un resumen de sus observaciones sobre le energía renovable,

1. En el 2009, la nueva inversión global en energía sustentable llegó a los 162 mil millones de dólares y si esta tendencia se mantuvo en el 2010, el 2011 será el primer año en que la capacidad mundial de energía generada con fuentes renovables excede a la capaci-dad mundial de energía con combustibles fósiles.

2. Lo anterior sucedió en el 2009 tanto en Europa y los Estados Unidos quienes por segundo año consecutivo, añadieron más capacidad de generación de fuentes re-novables tales como la eólica y solar que de fuentes convencionales como carbón, gas y nuclear.

La fi gura nos muestra la demanda proyectada de energía renovable 2008 vs. 2035. La participación de las energías re-novables en la generación global de electricidad está proyectada a que crezca de 18 a 32% entre 2008 y 2035, debido principalmente a la energía eólica y a la hidráuli-ca. Fuente IEA (2010)

OCDE Pacífico

África

India

Brasil

China

Estados Unidos

Unión Europea

Equivalente en petróleo en millones de toneladas0 100 200 300 400 500

2008

2009

ENERGÍA, MOTOR DE LA HUMANIDADLa mayor fuente de la energía que se requiere para cubrir las necesidades de los seres huma-nos proviene de la combustión —reacción quí-mica exotérmica— de los combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas natural) que abastecen aproximadamente 80% (véase fi gura 1.1) de esa demanda. Con los consumos de 2009, las reservas mundiales de estos combustibles se estima que duren, 46, 119 y 63 años,* respectivamente.

De acuerdo con la Agencia Internacional de Ener-gía (IEA, por sus siglas en inglés), en 2008 el mundo consumió 8 428 Mtoe (millones de toneladas equi-valentes de petróleo). Esta cantidad de energía es igual a la obtenida si se quemaran 8 428 millones de toneladas de petróleo. Conforme a las estima-ciones de la Organización de las Naciones Unidas, la población sobrepasará los nueve mil millones de habitantes en 2050, lo que dará como resulta-do que la demanda de energía se incremente 50% ya desde el año 2030 y que en 2050 se duplique e inclusive se triplique dicha demanda. Surge enton-ces la pregunta, ¿de dónde obtendrá el ser humano toda esta energía? La respuesta más probable, al menos hasta el año 2030, es que de los combusti-

bles fósiles. Debemos entonces basar nuestros requerimientos energéticos en fuentes alternas de energía como la energía eólica y el hidrógeno, por ejemplo, haciéndolas más accesibles y económicamente viables ya que como veremos, cuando tratemos el tema del petróleo, la “demanda pico” (el punto en el cual la mitad de las reservas mundiales accesibles hayan sido ya extraídas) está muy próxima: la Agencia Inter-nacional de Energía estima que la producción pico de petróleo será en algún punto comprendido entre 2013 y 2037, y de ahí en adelante vendrá un decrecimiento en la producción de petróleo y la demanda superará a la oferta de este combustible fósil.

NOCIÓN DE ENERGÍA

El concepto físico de energía que nos expresa que energía es la capacidad que tiene un cuerpo o un sistema para desarrollar un trabajo, aunque totalmente válido para los cálculos ordinarios de la Física y la Química, tuvo una nueva acepción a partir de la famosa equivalencia masa-energía descubierta por Einstein (DE 5 Dmc2) y su posterior aplicación en la física nuclear, principalmente en los fenómenos de radiac-tividad, fi sión y fusión. La fi sión nuclear fue descubierta en Europa, en el siglo pasado, en la década de los años 40, obteniéndose de una pequeña masa de un material radiactivo una enorme cantidad de energía. Estudios posteriores condujeron a la

* Fuente: BP Statistical Review of World Energy, 2010.

Figura 1.1

m Los combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas natural) participan con las cuatro quintas partes de las fuentes de energía mundial desde hace más de 100 años, porque son relativamente económicos, han sido abundantes y energéticamente ricos y la infraestruc-tura global está bien equipada para producirlos, distribuirlos y utilizarlos. En la generación de electricidad, los com-bustibles fósiles proporcionan alrededor de 67% del total global, mientras que la energía nuclear y la hidroeléctrica contri-buyen con 15 y 16%, respectivamente. La electricidad obtenida con fuentes renovables como la energía solar, geo-térmica y eólica está creciendo muy rá-pidamente pero aún constituye sólo un pequeño porcentaje (aproximadamente 2%) del total. Es importante mencionar que 27% de la energía eléctrica gene-rada en el mundo se pierde durante la generación y transmisión.


4

creación de la bomba atómica en EUA, por Robert Oppenheimer y un grupo selecto de investigadores y científi cos, la que permitió (funestamente) terminar con la Se-gunda Guerra Mundial.

Posteriormente, el uso pacífi co de la energía nuclear abrió una posibilidad de un ili-mitado suministro de energía. Sin embargo, el desarrollo espectacular de la energía atómica que se tuvo en un principio, se ha visto detenido por razones ecológicas, derivadas del difícil desecho de materiales radiactivos procedentes de las plantas nucleares, y de varios accidentes en algunas de ellas, de graves consecuencias (el último en Chernobyl, Ucrania).

La fusión nuclear (proceso que se lleva a cabo en el Sol) y que es inverso al de la fi sión nuclear, permite fundir masas de átomos muy ligeros para formar átomos más pesa-dos, con un desprendimiento de energía. Sin embargo, todavía se requiere de algunas décadas de investigación, debido principalmente a la tecnología necesaria para de-sarrollar los millones de grados centígrados necesarios para efectuar la fusión nu-clear. En este proceso no hay contaminantes y las materias primas son abundantes en la Tierra.

ENERGÍA POTENCIAL Y CINÉTICA

Seguramente recordarás, cuando estudiaste mecánica en tu clase de Física, las con-versiones de energía potencial —energía “almacenada” que tiene un cuerpo debido a su posición en un campo gravitacional— en energía cinética —energía que adquiere ese cuerpo al “liberar” esa energía potencial “transformándola” en movimiento—. El ejemplo de un patinador (de cualquier masa) que se desliza desde un desnivel que tiene una altura de 10 m hasta un piso horizontal adquiriendo una velocidad (si no hubiera fricción) de aproximadamente ¡50 kmyh!, es muy elocuente.

Estas clases de energía también aparecen con gran frecuencia en multitud de cam-bios o reacciones químicas. Por ejemplo, cuando se carga con energía eléctrica una pila o un acumulador, lo que se hace es proporcionarle energía en forma de energía química, misma que queda almacenada (energía potencial). Una vez que estén car-gados, tienen capacidad para desarrollar trabajo, siempre y cuando exista una di-ferencia de potencial eléctrico (equivalente al potencial gravitacional que proporciona el desnivel del ejemplo anterior), con lo cual se puedan descargar gradualmente. Si se utiliza esa energía para mover un juguete, o mejor aún para hacer un experimento de electrólisis en tu laboratorio, podrás observar que existe un movimiento (energía cinética) de los iones, que permite que fl uya la corriente eléctrica en el circuito y en tu solución (tener una solución electrolítica —que conduce la corriente—), median-te la cual se efectúan reacciones químicas en los electrodos.

TRANSFERENCIA Y TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA

Hay dos conceptos fundamentales que son necesarios en la interpretación de la transferencia de energía: el contacto térmico y el equilibrio térmico. Dos objetos están en contacto térmico si entre ellos existe la posibilidad de que haya una modifi cación de la temperatura en cada uno de ellos, lo cual sólo se logra si tienen temperaturas diferentes (véase fi gura 1.2).

El equilibrio térmico existe cuando dos objetos en contacto térmico ya no cambian de temperatura. Por ejemplo, un cartón de leche que se saca del refrigerador y se pone

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UNIDAD 1 La energía, la materia y los cambios

5

sobre la mesa, está en contacto térmico con la mesa y el aire que las rodea. Después de varias horas, la temperatura es la misma, es decir los tres cuerpos alcanzan el equilibrio térmico. Este comportamiento es el que sigue también un termómetro.

La existencia de este equilibrio mutuo es una ley fundamental de la termodinámi-ca: la Ley cero.

La Ley cero de la termodinámica. Los sistemas en equilibrio termodinámico tienen la misma temperatura.

Sistema C(Termómetro)

Sistema A Sistema B

Figura 1.3

El calor sólo fl uye de un cuerpo con mayor temperatura a uno con menor temperatura.

Cuerpocaliente

Flujo de calor

Cuerpofrío

TA . TB

TA

TB

Figura 1.2

Termometría

La medición que se puede apreciar de las transformaciones y transferencias de ener-gía se hace, principalmente, utilizando la variable termodinámica que todos conocemos como temperatura. El concepto general que se tiene de esta propiedad es que nos mues-tra qué “tan caliente” o qué “tan frío” está un cuerpo o una sustancia. Su explicación particular de acuerdo con la física: “que es una medida de la energía cinética prome-dio de las moléculas” tampoco es muy explícita. Siendo ambas defi niciones correctas pero ambiguas, los científi cos tuvieron que utilizar irremediablemente temperaturas de referencia, para establecer escalas en los termómetros utilizados para medirla.

El sentido del tacto nos indica la temperatura a la cual está un objeto, pero no es confi able. Por ejemplo, las parrillas del refrigerador se sienten más frías que la comi-da almacenada sobre ellas, aunque ambas estén en equilibrio térmico. La razón de que el metal se sienta más frío es que por el metal fl uye el calor proveniente de tu mano (que por esta razón se enfría más) de una manera más efi ciente a la parrilla que a los alimentos.

Los termómetros son los instrumentos que defi nen y miden la temperatura. El ter-mómetro más común consiste de un volumen de mercurio, que se dilata dentro de un tubo capilar cuando se calienta. Cuando el termómetro está en equilibrio térmi-co con un objeto, se lee la temperatura en la escala del termómetro.

Hay tres escalas de temperatura generalmente usadas: Celsius, Fahrenheit y Kelvin (tam-bién llamada absoluta). La comparación entre las escalas se muestra en la fi gura 1.4.


6

En la escala Celsius, el punto de congelación del agua es 0, y el punto de ebullición es 100. El intervalo entre estas temperaturas se divide en 100 partes iguales llamadas grados. Como se puede observar en la fi gura 1.4, sobre la escala Fahrenheit, el punto de congelación es 32° y el punto de ebullición es 212°. El intervalo entre estas tem-peraturas está dividido en 180 partes iguales. La relación entre las escalas Celsius y Fahrenheit es entonces:

°C 5 °F 2 32

1.8

°F 5 1.8 (°C) 1 32

La escala Kelvin (K) tiene sus grados del mismo tamaño que la escala Celsius, como referencia, se observa que el punto triple del agua, corresponde a la temperatura en que se encuentran en equilibrio en un recipiente cerrado, el hielo, el agua y su vapor. Este punto se encuentra a los 273.16 K y es igual a .01 °C. Por tanto, para convertir Cel-sius a Kelvin simplemente se añade 273.15.

K 5 °C 1 273.15

Sistemas y sus alrededores

La termodinámica, que es la ciencia que estudia el fl ujo de la energía, trata con sistemas o partes del mundo, que mediante límites o fronteras bien defi nidas se separan conceptual o físicamente del resto del mundo o sus alrededores. Cuando se establecen para el sistema los valores de un conjunto de parámetros medibles tales como temperatura, presión, volumen y expresiones de concentración (como fracción mol), se considera la condición o estado del sistema como termodinámi-camente defi nido, por lo que la temperatura es entonces el parámetro distintivo de los análisis termodinámicos.

Sin embargo, no puede ser caracterizado cada estado de un sistema por una tempe-ratura (y presión) bien defi nida y uniforme. En primer lugar, dada la distribución de velocidades moleculares (distribución de Maxwell-Boltzmann), una sola molécula o aun un pequeño grupo de moléculas no tienen una temperatura defi nida. Sola-mente se podrá asignar una temperatura a sistemas macroscópicos y sólo a esos sistemas se les podrán aplicar cálculos termodinámicos. Además, aun un sistema macroscópico manifestará desigualdades de temperatura (y presión), cuando éste sufre un cambio rápido. Un sistema macroscópico completo será caracterizable con una temperatura (y presión) única y solamente cuando el sistema permanezca en un estado sin cambio o equilibrio. Es precisamente en esos estados con los cuales es aplicable la termodinámica clásica.

Enfocados entonces en los estados de equilibrio de sistemas macroscópicos, la termo-dinámica clásica no nos dice nada acerca de la trayectoria por las cuales se llegaron a los diversos estados, ni tampoco nada acerca de las velocidades a las cuales se de-sarrollaron esas trayectorias y se obtuvieron los diversos estados. La termodinámica

Las tres escalas de temperatura.

–20

–100

1020

30405060

708090

100 212200

150

100

5032

0

373.15

273.15

Punto deebullicióndel agua

Kelvin °Celsius °Fahrenheit

Punto decongelación

del agua

Figura 1.4



7

es una ciencia eminentemente práctica y si se encuentra ante algo imposible no debemos nunca esperar que se pueda conseguir, porque incluso lo que es posible puede requerir de un inmenso esfuerzo. Por ejemplo, los cálculos termodinámicos muestran que bajo presiones de 30 000 a 100 000 atmósferas se puede formar el diamante a partir del grafi to a temperaturas entre 1 000 y 3 000 K. Sin embargo, los intentos para lograr esta conversión fueron por un largo tiempo totalmente fallidos.

No fue sino hasta 1954 en que la síntesis del diamante se logró tras el descubrimiento de un efectivo catalizador y la construcción de equipo adecuado para mantener las condi-ciones requeridas por horas y no por segundos.

Un sistema termodinámico no necesariamente consiste sólo de una sustancia, sino que puede consistir también de energía radiante o de un campo eléctrico o magnético. Sin embargo, usualmente un sistema comprende una sustan-cia que puede ser homogénea o heterogénea.

Los sistemas que pueden intercambiar energía con sus al-rededores pero no pueden transferir materia a través de sus límites se conocen como sistemas cerrados, como por ejemplo una batería o un termo (fi gura 1.5). Los sistemas en donde se puede intercambiar tanto la masa como la energía con sus alrededores, se les conoce como sistemas abiertos como por ejemplo el motor de un automóvil y el cuerpo humano.

CALOR, TRABAJO Y TEMPERATURA

Calor y trabajo

Cuando un sistema gana energía por radiación, conducción o convección térmica, como resultado de una diferencia de temperatura con sus alrededores, está absor-biendo una cantidad positiva de calor y la energía interna del sistema aumenta. Si gana energía por otros medios, como por ejemplo por la acción de fuerzas mecánicas en sus alrededores, se considera que se está haciendo sobre el sistema una cantidad positiva de trabajo porque la energía interna del sistema también aumenta. En el caso contrario en que el sistema desprenda calor o haga trabajo en sus alrededores, estas cantidades se consideran negativas porque disminuyen la energía interna del sistema. Esta convención de signos es contraria a la que fue utilizada común-mente en la literatura técnica hasta antes de 1970.

La expansión de un gas es un ejemplo de trabajo que frecuentemente sucede en re-acciones químicas. Si un gas se expande en contra de una presión externa Pex (fi gura 1.6), el trabajo desarrollado es:

w 5 2#V2

V1

Pex dV 5 2Pex DV (1.1)

si hubiera una compresión el trabajo será positivo.

Ejemplo

Encontrar la cantidad de trabajo hecho sobre los alrededores, cuando 1 litro de un gas ideal, inicialmente a una presión de 10 atmósferas, se deja expandir a 10 litros

Los dos tipos de sistemas termodinámicos. El termo o cualquier re-cipiente con paredes adiabáticas para aislar el fl ujo de energía es un caso particular de un sistema cerrado.

Abierto Cerrado Cerrado y aislado

Figura 1.5

Un sistema también hace trabajo cuando se expande en contra de una presión externa. El trabajo es proporcional a la presión externa Pex, y al cambio de volu-men DV (L 3 Área del pistón).

P

Pex

L

Figura 1.6


8

a una temperatura constante: a) reduciendo la presión externa a 1 atm en un solo paso; b) reduciendo P primero a 5 atmósferas y luego a 1 atm, y c) permitiendo que el gas se expanda en un espacio al vacío cuyo volumen total es de 10 litros.

SOLUCIÓN: Primero hay que observar que DV, que es una función de estado,* o sea que es la misma para cada operación:

de P2V2 5 P1V1

V2 5 (10y1) 3 (1 L) 5 10 L, de tal forma que DV 5 10 2 1 5 9 L

Para la trayectoria a):

w 5 2 (1 atm) 3 (9 L) 5 2 9 L-atm 5 2 9 L-atm 3 101.3 joulesyL-atm 5 2 911.7 joules

Para la trayectoria b), el trabajo se calcula separadamente para cada etapa:

w 5 2(5 atm) 3 (2 L 2 1 L) 1 (2) (1 atm) 3 (10 L 2 2 L)

5 213 L-atm 3 101.3 joulesyL-atm 5 2 1 316.9 joules

Para la trayectoria c) el gas se expande a 10 L en contra de una presión externa de cero y entonces w 5 (0 atm) × 9 L 5 0, esto es que no se hace trabajo porque no hay una fuerza que se oponga a la expansión.

Calor y temperatura

Para los iniciadores de la termodinámica entender qué signifi ca calor fue un reto. Inclusive, la equivalencia de calor y trabajo como formas diferentes de energía no fue establecida de manera inequívoca sino hasta hace relativamente poco tiempo. En 1842 Julius Robert von Mayer (1814-1874), médico y físico alemán, estableció la Ley de la Conservación de la Energía en su forma moderna, incluidas todas las for-mas de energía, entre ellas el calor. Ahora defi nimos calor como “la transferencia de energía que resulta de diferencias en la temperatura”.

La difi cultad en entender el concepto de calor se derivó principalmente de su con-fusión con el concepto de temperatura. Los primeros científi cos tendían a creer que los objetos llegaban a un equilibrio térmico cuando cada uno de ellos contenía una cantidad igual de calor por unidad de volumen. El químico inglés Joseph Black (1728-1799) es famoso por su descubrimiento del calor latente y porque fue el pri-mero en reconocer claramente la diferencia entre la cantidad de calor y la tempera-tura. Su trabajo fue publicado hasta después de su muerte en 1799. Demostró que sustancias distintas tienen capacidades calorífi cas diferentes y que el equilibrio térmico se establece entre dos cuerpos cuando sus temperaturas son las mismas. El calor fl uirá hasta que los gradientes de temperatura desaparezcan, es decir, que las diferencias en temperatura proporcionan la fuerza conductora para que fl uya

*Una función de estado es aquella que: 1. Tiene un valor definido para un sistema determinado en un estado dado, independientemente de la historia de ese sistema y 2. Cambia con una cantidad definida en un cambio de estado dado, independientemente de la trayectoria con la que sucedió el cambio.



9

el calor. La relación entre la cantidad de calor transferida a un cuerpo y el cambio consiguiente en su temperatura depende de su capacidad calorífi ca:

C 5 dq

dT (1.2)

donde C es la capacidad calorífi ca, q es el calor y T es la temperatura.

El término teórico “temperatura” adquiere relevancia empírica cuando sabemos cómo se determina la tempe-ratura mediante un termómetro de gas ideal a volumen constante V (fi gura 1.7).

Para una cantidad dada de un gas perfecto P ∝ T. Esta relación, junto con la defi nición del triple punto del agua —temperatura a la cual coexisten hielo, agua y vapor de agua en equilibrio— de 273.16 K, nos permiten tener una escala completa de temperaturas aplicando la siguiente relación:

PyPpt 5 Ty273.16 K, en donde si despejamos T,

T 5 273.16 K (PyPpt) (1.3)

el subíndice pt nos indica la presión del vapor de agua en el punto triple (0.6117 kPa) y P es la presión de la co-lumna de mercurio con una altura h cuando se mide una temperatura T. Para las interconversiones de las unida-des de presión hay que recordar que 101.3 kPa 5 1 atm 5 76 cm de Hg.

Energía interna

Supongamos que un sistema recibe de sus alrededores una cantidad de calor (q) y que como resultado de ello el sistema hace una cierta cantidad de trabajo (w) sobre sus alrededores. Si, como es de esperarse, el trabajo desarrollado por el sistema es menor que el equivalente mecánico del calor recibido por el sistema, de acuerdo con el principio de conservación, debemos suponer que la energía equivalente a la diferencia (q – w) es algo que de alguna forma queda almacenada en el sistema como un aumento de su energía interna E. De acuerdo con nuestra convención de signos, lo anterior lo podemos expresar así:

q + (−w) 5 DE o

q − w 5 DE (1.4)

La energía interna es la suma de todas las formas microscópicas de energía de un sistema y puede ser considerada, en términos generales, como la suma de las ener-gías potencial y cinética de todas sus moléculas.

La energía interna es una función de estado en donde el cambio de energía inter-na cuando un sistema pasa de un estado A a un estado B es independiente de la

m Cuando el gas en el bulbo cerrado llega al equilibrio a la temperatura (T ) que priva en el recipiente, y manejan-do en forma adecuada el bulbo de ni-velación, hacemos que el menisco del mercurio coincida con la marca de re-ferencia. Al tener fijo el volumen de gas (V ), obtenemos la presión (P) midiendo la altura (h). El valor de T se obtiene de la ecuación (1.3).

Figura 1.7


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