La quimica al alcance de todos 9587017668, 9789587017663

Table of contents :
Portada
Solapas
LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS
CONTENIDO
A MANERA DE PRESENTACIÓN
INTRODUCCIÓN
CAPÍTULO 1
EL AGUA ARDIENTE
INTRODUCCIÓN
DEMOSTRACIÓN
ANÁLISIS
CONCEPTUALIZACIÓN
LECTURA COMPLEMENTARIA 1
COMBUSTIÓN
CARACTERÍSTICAS DEL COMPUESTO
TRANSPARENCIA
INSOLUBILIDAD EN AGUA
ENERGÍA DE ACTIVACIÓN
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BIBLIOGRAFÍA GENERAL
LECTURA COMPLEMENTARIA 2
VISCOSIDAD
BIBLIOGRAFÍA GENERAL
REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA
LECTURA COMPLEMENTARIA 3
MISCIBILIDAD
BIBLIOGRAFÍA GENERAL
LECTURA COMPLEMENTARIA 4
ÁCIDOS, BASES, HIDRÓLISIS, PH
BIBLIOGRAFÍA GENERAL
CAPÍTULO 2
TEMPERATURA DE EBULLICIÓN
INTRODUCCIÓN
DEMOSTRACIÓN
ANÁLISIS INICIAL
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
LECTURA COMPLEMENTARIA 5
INTRODUCCIÓN
SOBRE EL ORIGEN DEL SISTEMA DE MEDIR LAS MONTAÑAS Y SOBRE EL PROYECTO DE UNA EXPEDICIÓN CIENTÍFICA
LECTURA COMPLEMENTARIA 6
TEMPERATURA, ESCALAS, MEDIDA
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
LECTURA COMPLEMENTARIA 7
HUMEDAD RELATIVA
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CAPÍTULO 3
TENSIÓN SUPERFICIAL Y EL AGUA
INTRODUCCIÓN
¿CÓMO PODRÍAMOS EXPLICAR ESTOS HECHOS?
DEMOSTRACIÓN
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
LECTURA COMPLEMENTARIA 8
TENSIÓN SUPERFICIAL Y SU MEDIDA
¿QUÉ EXPLICACIÓN PODEMOS DAR?
APLICACIONES
REFERENCIA BIBLIOGRÁFICAS
LECTURA COMPLEMENTARIA 9
ÁCIDOS ORGÁNICOS
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
LECTURA COMPLEMENTARIA 10
PARA REFLEXIONAR
LECTURA COMPLEMENTARIA 11
POLARIDAD, MISCIBILIDAD Y TENSIÓN SUPERFICIAL DE LÍQUIDOS (25)
LA EXPERIENCIA
ANÁLISIS
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CAPÍTULO 4
MANEJO DE GASES
INTRODUCCIÓN
LA EXPERIENCIA
REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA
LECTURA COMPLEMENTARIA 12
LEYES DE LOS GASES
INTRODUCCIÓN
REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA
LECTURA COMPLEMENTARIA 13
PRESIÓN CRÍTICA Y TEMPERATURA CRÍTICA
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
LECTURA COMPLEMENTARIA 14
PRESIÓN Y SU MEDIDA
LECTURA COMPLEMENTARIA 15
CIFRAS SIGNIFICATIVAS
REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA
CAPÍTULO 5
QUÍMICA Y ELECTRICIDAD
INTRODUCCIÓN
ANÁLISIS DE LA EXPERIENCIA
QUÍMICA Y ELECTRICIDAD: PILAS
POTENCIALES DE REDUCCIÓN
MEDIDA DEL POTENCIAL DE REDUCCIÓN
PILAS O CELDAS VOLTAICAS
DURACIÓN DE LAS PILAS
CELDAS ELECTROLÍTICAS
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CAPÍTULO 6
APLICACIONES DE LOS PROCESOS ELECTROLÍTICOS
INTRODUCCIÓN
PRODUCCIÓN DE ALUMINIO
PROTECCIÓN DE LA CORROSIÓN
RECUBRIMIENTOS
LEYES DE FARADAY
CONCLUSIÓN
CAPÍTULO 7
EXPERIENCIAS SUGERIDAS
EL SUEÑO DEL ALQUIMISTA
INTRODUCCIÓN
MARCO TEÓRICO
COMENTARIOS
REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA
EL VOLCÁN QUÍMICO
INTRODUCCIÓN
TRABAJO EXPERIMENTAL
MARCO TEÓRICO
COMENTARIOS
REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA
GASES VIAJEROS
INTRODUCCIÓN
TRABAJO EXPERIMENTAL
COMENTARIOS
REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA
LECTURA COMPLEMENTARIA 16
ENERGÍA CINÉTICA EN EL ESTADO GASEOSO
CORROSIÓN
INTRODUCCIÓN
PROCEDIMIENTO
COMENTARIOS
REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA
UN BRONCEADO MUY PARTICULAR
INTRODUCCIÓN
TRABAJO EXPERIMENTAL
COMENTARIOS
PRECAUCIONES
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Contraportada

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LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

Dagoberto Cáceres Rojas Químico, Dr.Sc Profesor honorario José A. Muñoz Castillo Químico Profesor honorario

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE CIENCIAS DEPARTAMENTO DE QUÍMICA

© Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ciencias Departamento de Química © Dagoberto Cáceres Rojas José A. Muñoz Castillo Profesores Honorarios Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad Nacional de Colombia Primera edición, 2006 Bogotá, Colombia

ISBN 978-958-701-766-3

Catalogación en la publicación Universidad Nacional de Colombia Cáceres Rojas, Dagoberto, 1938La química al alcance de todos / Dagoberto Cáceres Rojas, José A. Muñoz Castillo. – Bogotá: Universidad Nacional de Colombia. Facultad de Ciencias, 2006 174 p. ils. ISBN : 978-958-701-766-3 1. Química – Enseñanza - Libros de texto 2. Métodos de enseñanza - Química I. Muñoz Castillo, José A. 1940CDD-21

540.72 / 2006

LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

CONTENIDO INTRODUCCIÓN ................................................................ 11 CAPÍTULO 1. EL AGUA ARDIENTE Introducción ................................................................... 13 Demostración .................................................................. 15 Análisis y conceptualización ................................................. 17 Lectura complementaria 1 ................................................... 19 Combustión Lectura complementaria 2 ................................................... 24 Viscosidad Lectura complementaria 3 ................................................... 29 Miscibilidad Lectura complementaria 4 ................................................... 31 Ácidos, bases, hidrólisis, pH

CAPÍTULO 2. TEMPERATURA DE EBULLICIÓN Introducción .................................................................... 41 Demostración .................................................................. 41 Análisis .......................................................................... 42 Lectura complementaria 5 ................................................... 52 Notas del sabio Francisco José de Caldas Lectura complementaria 6 ................................................... 57 Temperatura, escalas, medida Lectura complementaria 7 ................................................... 64 Humedad Relativa

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DAGOBERTO CÁCERES ROJAS - JOSÉ A. MUÑOZ CASTILLO

CAPÍTULO 3. TENSIÓN SUPERFICIAL Y EL AGUA Introducción .................................................................... 72 Demostración .................................................................. 73 Lectura complementaria 8 ................................................... 81  7HQVLyQVXSHUÀFLDO\VXPHGLGD Lectura complementaria 9 ................................................... 87 Ácidos orgánicos Lectura complementaria 10 ................................................. 90  3DUDUHÁH[LRQDU$FHLWHGHSHVFDGR\DIHFFLRQHVFDUGLDFDV Lectura complementaria 11 ................................................. 91  3RODULGDGPLVFLELOLGDG\WHQVLyQVXSHUÀFLDOGHORVOtTXLGRV

CAPÍTULO 4. MANEJO DE GASES Introducción .................................................................... 95 La experiencia ................................................................. 96 Lectura complementaria 12 ................................................ 100 Leyes de los gases Lectura complementaria 13 ................................................ 103 Presión crítica y temperatura crítica Lectura complementaria 14 ................................................ 106 Presión y su medida Lectura complementaria 15 ................................................ 108  &LIUDVVLJQLÀFDWLYDV

CAPÍTULO 5. QUÍMICA Y ELECTRICIDAD Introducción .................................................................. 113 Análisis de la experiencia .................................................. 117 Química y electricidad: Pilas ............................................... 119 Potenciales de reducción ................................................... 122

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LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

Pilas o celdas voltaicas ...................................................... 135 Duración de las pilas ........................................................ 136 Celdas electrolíticas ......................................................... 139

CAPÍTULO 6. APLICACIONES DE LOS PROCESOS ELECTROLÍTICOS Introducción .................................................................. 146 Electrosíntesis para la obtención de cloro ............................... 146 Producción de aluminio ..................................................... 149 Protección de la corrosión .................................................. 150 Recubrimientos ............................................................... 151 Electrodeposición de níquel sobre cobre ................................ 151 Leyes de Faraday ............................................................ 154 Conclusión .................................................................... 156

CAPÍTULO 7. EXPERIENCIAS SUGERIDAS El sueño del alquimista ..................................................... El volcán químico ............................................................ Gases viajeros ................................................................ Lectura complementaria 16 ................................................ Energía cinética en el estado gaseoso Corrosión ...................................................................... Un bronceado muy particular ..............................................

159 162 164 167 169 171

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A MANERA DE PRESENTACIÓN Uno de los objetivos de la Universidad es la proyección a la comunidad mediante acciones en que la Universidad y la Escuela se integren y desarrollen procesos de trabajo. Por esta razón la Facultad de Ciencias y el Departamento de Química, en su misión de promover el trabajo pedagógico en el área de ciencias y en especial la de química en educación básica y media, han venido desarrollando desde los años de 1980 una serie de actividades, entre las que se destacan: x Los cursos para docentes de secundaria, en convenio con la Secretaria de Educación de Bogotá y la Secretaría de Educación de Cundinamarca. x Los cursos libres juveniles. x La Olimpiada Colombiana de Química. x Programas interfacultades. A partir de la experiencia con los diferentes grupos que han participado en estos eventos y con el objeto de promover formas de trabajo en el aula, se presenta el texto La Química al alcance de todos. La propuesta derivada del trabajo de los profesores Dagoberto Cáceres Rojas y José Muñoz Castillo pretende incentivar la observación y el análisis de los hechos cotidianos, tan simples como la lluvia, pero muy útiles para examinar conceptos del área disciplinar. Aunque no se pueden incluir todos, sí están algunos que, de acuerdo con la experiencia en las trece olimpiadas colombianas de química, son difíciles de trabajar y asimilar por el estudiante de secundaria. Es preciso resaltar que hasta el presente han participado en la olimpiada colombiana aproximadamente 30.000 estudiantes, pertenecientes a cerca de 200 instituciones públicas y privadas, provenientes de trece regiones diferentes, incluida Bogotá. Cada año, entre los ganadores de este certamen, se ha seleccionado la delegación conformada por cuatro estudiantes para participar en la respectiva Olimpiada Iberoamericana de Química.

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3DUDODYHUVLyQÀQDOGHLa química al alcance de todos, se tuvieron en cuenta las observaciones y recomendaciones de los profesores Liliana Giraldo Gutiérrez y Guillermo Hernández Gutiérrez. Se espera que los docentes que tienen la ardua labor de conducir a los niños y jóvenes por el sendero de la ciencia, encuentren en este escrito propuestas de acción que faciliten su tarea y que los estudiantes y las personas del común lo vean como una llama que fomente el interés por la ciencia como parte integral de la vida.

Ana Silvia Bermúdez Pinilla Coordinadora Olimpiada Colombiana de Química

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INTRODUCCIÓN La Universidad Nacional de Colombia, a través de la Facultad de Ciencias y del Departamento de Química, viene ejecutando desde hace más de 30 años un trabajo participativo con instituciones y profesores de educación básica y media. En algunas de estas actividades intervienen varias facultades, como el caso del Programa Red, en que se desarrollaron proyectos de trabajo en el aula y en el currículo. La experiencia adquirida en todas las actividades desarrolladas mostró claramente la importancia del trabajo experimental, dentro y fuera de la escuela, teniendo como eje dos aspectos: la integración del trabajo académico al contexto extraescolar y el acercamiento progresivo al conocimiento y manejo de los conceptos y procedimientos disciplinares. $ HVWR VH OOHJy SRU GRV YtDV LGHQWLÀFDQGR VLWXDFLRQHV GHO PHGLR SDUD estudiarlas en el aula y desarrollando experiencias demostrativas con participación de los alumnos y su proyección hacia aspectos de la vida cotidiana. Estas dos vías son complementarias y se refuerzan mutuamente. 0HGLDQWH HO WUDEDMR HQ FLHQFLDV \ HVSHFtÀFDPHQWH HQ TXtPLFD VH YD desarrollando una actitud frente a los hechos y se construyen elementos para enfrentar la cotidianidad y no simplemente resultados y técnicas R SURFHGLPLHQWRV SDUD UHVROYHU SUREOHPDV WLSLÀFDGRV HQ ORV OLEURV GH texto. Se destacan valores como el respeto, la tolerancia, escuchar al compañero y ser escuchado. Por estas razones esta publicación no es un libro de texto, ni una guía cerrada para trabajar temas de la química, ni tampoco pretende abarcar el desarrollo curricular del área. Es una propuesta de trabajo de conceptos básicos del área. Los marcos conceptuales de referencia incluidos se toman como una forma de presentación de algunos conceptos relacionados directa o indirectamente con la experiencia, y permiten mostrar un panorama del contexto disciplinar y de áreas de las ciencias que aportan a su desarrollo y comprensión. No pretende ser un mapa conceptual, aunque puede ser un primer paso para llegar a él.

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En cuanto a las experiencias, se describen los pasos a seguir en su realización y se hace un análisis de la experiencia, en algunos casos parcial, que puede ser ampliado con aportes de alumnos y profesores. Las lecturas complementarias son ampliaciones o aclaraciones de algunos conceptos que se relacionan con la experiencia y que, dependiendo de la dinámica de trabajo, pueden ser objeto de análisis en el aula y fuera de ella. La bibliografía se divide en dos grupos: uno que tiene que ver con asSHFWRVHVSHFtÀFRV\VHXELFDHQHOWH[WRRWURGHWLSRJHQHUDOTXHSXHGH VHUIXHQWHGHFRQVXOWDWDQWRSDUDWHPDVHVSHFtÀFRVFRPRSDUDDVSHFWRV generales de química básica. Las revistas citadas están disponibles en las bibliotecas de los departamentos de Química de las universidades. Es pertinente comentar que los diversos temas de la química que se sugiere estudiar en educación básica y media son factibles de contextualizar en el medio extraescolar. En ellos se pone a prueba la iniciativa HLPDJLQDFLyQGHDOXPQRV\SURIHVRUHVVLQHPEDUJRDOJXQRVFRQFHSWRV SRUVXQLYHOGHDEVWUDFFLyQSUHVHQWDQGLÀFXOWDGSDUDGHVDUUROODUORVHQ el aula de clase con base en experiencias y hechos de la cotidianidad. La situación puede superarse mediante el análisis de elementos mínimos concretos que permitan alcanzar la meta educativa propuesta. En otros casos, son tan abundantes los hechos y posibilidades de análisis que debe hacerse una selección cuidadosa para contextualizar aquellos que SHUPLWDQDOFDQ]DUORVREMHWLYRVGHIRUPDFLyQSURSXHVWRVGHORFRQWUDrio, se puede caer muy fácilmente en el llamado “enciclopedismo” por la cantidad de informaci6n disponible. Finalmente, como complemento de este escrito, se presentan a consideración del profesorado algunas experiencias que pueden estudiarse en el momento y lugar pertinente del desarrollo curricular del área de ciencias y de la química.

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CAPÍTULO 1 EL AGUA ARDIENTE

INTRODUCCIÓN &XDQGRVHPHQFLRQDHODJXDVXUJHQLQÀQLGDGGHPLUDGDVTXHYDQGHVGH ODV PLWROyJLFDV KDVWD ODV ÀORVyÀFDV \ WHFQROyJLFDV (VWR KDFH TXH ORV temas donde este compuesto aparece posean una gran riqueza cultural, VRFLDOFLHQWtÀFD3DUDGyMLFDPHQWHQRWHQHPRVVXÀFLHQWHFODULGDGVRbre su importancia y, por tanto, de su cuidado y preservación. Al respecto Frederick Dean (1) dice: El agua es la sustancia conocida más importante para la vida. &XEUHHOGHODVXSHUÀFLHWHUUHVWUH6XÁXMRFRQWURODHOFOLma, la agricultura y la ubicación de los centros de población. Su ÁXMRSXHGHVHUIXHQWHGHEHOOH]DRLQVWUXPHQWRGHGHVWUXFFLyQ 6XÁXMRWLHQHPiVUHJXODFLRQHVJXEHUQDPHQWDOHVTXHFXDOTXLHU RWUDVXVWDQFLD(QVXIRUPDSRWDEOHVHSHUÀODFRPRXQDGHODV sustancias más importantes del siglo XXI, lejos del petróleo. Finalmente más química se ha estudiado usándola como solvente que cualquier otra sustancia.

Si nos remontamos a la época de algunos de nuestros antepasados, los Chibchas, el agua está presente cuando al siguiente día que Chiminigagua, ser omnipotente, creó el sol. Bachué salió de una profunda laguna situada en la cordillera (Iguaque) con un niño. Los dos dieron origen a los primeros hombres y así se pobló la Tierra. Igualmente los muzos hablan en su mitología de una sombra de hombre que labró en madera rostros de hombres y mujeres y al echarlos al agua se levantaron vivos, los casó y repartió en la Tierra como los primeros pobladores padres de todos los indios (2). Si nos desplazamos a lugares muy lejanos como Hawai, los visitantes GHOHGLÀFLRGH4XtPLFDHQFXHQWUDQWUHVJUDQGHVPXUDOHV8QRGHHOORV titulado Agua, representa dos grandes dioses de la mitología hawaiana: Kane y Kanaloa. Cuando emergieron del mar, Kane –dios del agua– y VXKHUPDQROOHYDURQHODJXDDWLHUUDÀUPHHQIRUPDGHPDQDQWLDOHV\ corrientes. Kane clavó su lanza en la Tierra y Kanaloa se preparó para recoger el chorro que emergía. Una versión mitológica dice que Kane

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deseaba que el agua fuera para el bien del pueblo y de la Tierra, pero que el malvado Kanaloa la usó para la preparación de la primera bebida alcohólica (3). Se podrían referir numerosas mitologías y creencias de diferentes culturas en las que el agua ocupa una posición primordial, destacando el papel que este compuesto desempeña en los procesos naturales y, con el paso del tiempo, en los industriales y sociales. Es tal su importancia que no pocos futurólogos opinan que los enfrentamientos venideros serán por la posesión del agua. ¢3HURTXpWLHQHHODJXDTXHODKDFHHQH[WUHPRGHÀQLWLYDSDUDODFRQVHUvación de la humanidad? La respuesta a estas preguntas tiene numerosos aspectos. Podemos iniciar con uno evidente para todos: la mayoría de los procesos naturales e industriales se lleva a cabo en solución acuosa. El hombre ha encontrado que el agua es un compuesto muy especial, WDQWRTXHJUDFLDVDVXVSURSLHGDGHVHVSRVLEOHODYLGDSRUVXLQÁXHQFLD VHJHQHUDQYDULHGDGGHFOLPDVHQHOJORERWHUUiTXHR\VHUHJXODQLQÀnidad de procesos que suceden a diario y que inciden en las formas de vida de las comunidades. Recordemos algunas de las propiedades más comunes que aparecen en los libros de texto. 6XFDSDFLGDGFDORUtÀFD1WLHQHXQYDORUGHMRXOHV- ODGHOPHUFXULR  - \ OD GHO HWDQRO  -   (VWR TXLHUH GHFLU TXH HQ XQD IXHQWH de calor dada, el agua tarda más en “calentarse” que el mercurio y el HWDQROSRUWDQWRDOGHVDSDUHFHUODIXHQWHGHFDORUVHUiHODJXDODTXH demora más tiempo en ceder el calor absorbido. Esto indica que en regiones donde el agua es abundante, ésta opera como un regulador de temperatura. ¿Qué sucede en los desiertos donde prácticamente no hay DJXDVRORDUHQD\PDWHULDOHVGHEDMDFDSDFLGDGFDORUtÀFD" El agua posee otra propiedad que la hace muy especial, la densidad, que WLHQHXQDFDUDFWHUtVWLFDPX\SDUWLFXODUHVPD\RUHQHVWDGROtTXLGRTXH HQHVWDGRVyOLGR3RUHVRHOKLHORDJXDHQHVWDGRVyOLGR ÁRWDHQHODJXD líquida, con todo lo que esto implica para la vida en zonas donde hay estaciones o donde la temperatura durante todo el año es muy baja. Los mencionados son solo dos ejemplos de propiedades que hacen del agua un compuesto excepcional. 1

 &DSDFLGDGFDORUtÀFD&DQWLGDGGHFDORUQHFHVDULDSDUDHOHYDUODWHPSHUDWXUDGHXQ JUDPRGHPDWHULDOHQXQJUDGRFHQWtJUDGR'HÀQLFLyQJHQHUDOSRUTXHQRVHHVSHFLÀca condición de temperatura).

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LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

DEMOSTRACIÓN Pero volvamos al inicio de este escrito, El agua ardiente, que podríamos interpretar desde dos puntos de vista. Uno relacionado con una bebida alcohólica muy popularizada y cuyo nombre o forma de llamarla se FRQÀUPDDOVHQWLUHQODJDUJDQWDHOHIHFWRGHWRPDUXQWUDJRGHHVWD bebida. El otro, el que interesa por ahora, podríamos relacionarlo con la palabra ardiente, de arder, quemar, hacer combustión. ¿Pero el agua “arde” como el alcohol o la gasolina? Nunca hemos oído mencionar esta propiedad del agua. Sin embargo, un químico inquieto y muy conocedor de las propiedades del agua realizó ante sus estudiantes una experiencia muy particular con dos objetivos: el primero, mostrar un efecto curioso: la descomposición del agua en presencia de dos sales (el cloruro de sodio y el bicarbonato de sodio). Al acercarle un fósforo (cerilla) encendido, esta solución “produce una llama” durante algún tiempo. El segundo, destacar que alrededor de un fenómeno en apariencia simple hay muchas cosas que analizar. Nuestro inquieto profesor tomó un vaso de precipitados, adicionó 100 mL de agua, agregó un gramo (aproximadamente) de cloruro de sodio y un gramo (aproximadamente) de bicarbonato de sodio. Pasó de inmediato esta solución a una probeta de 100 mL y acercó un fósforo encendido DODERFDGHODSUREHWD(QVHJXLGDDSDUHFLyXQDOODPDHODJXDHVWDED ardiendo. Para iniciar la discusión, el profesor planteó unas posibles reacciones que ocurrirían y que podrían explicar el proceso de combustión observado. NaHCO3 + NaCl + H2O Na+ + HCO3- + Na+ + Cl- + HOH

Na+ + HCO3- + Na+ + ClHClO + Na2CO3 + H2

[1] [2]

La ecuación [1] describe simplemente el proceso de disolución del bicarbonato de sodio y cloruro de sodio. En este caso, el agua es el medio en el cual se lleva a cabo este proceso. La ecuación [2] está balanceada y podemos decir que tanto el bicarbonato de sodio como el cloruro de sodio aportan a la solución el catión sodio (Na+). Por el principio de Le Chatelier, el equilibrio se desplaza hacia la formación de los productos. Así el hidrógeno del anión HCO3– se une con el hidrógeno del agua para liberar hidrógeno gaseoso (H2). Simultáneamente los iones sodio se unen al ion carbonato generado para

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formar el carbonato de sodio, y el ion hidroxilo (OH–) del agua se une con el ion cloruro (Cl–) formando el ácido hipocloroso (HClO). El hidrógeno gaseoso producido y el oxígeno del aire, en presencia de la llama del fósforo, entran en combustión produciendo la llama observada HQODVXSHUÀFLH\TXHVHPDQWLHQHHQWDQWRKD\DSURGXFFLyQGHKLGUyJHno. Este proceso se describe mediante la ecuación [3]. 2H2 + O2

2H2O

[3]

Si agregamos bicarbonato en exceso, la reacción que se produce podemos describirla mediante la ecuación [4]. H2O + NaCl + 2NaHCO3

O2 + 2CO + NaClO + 2NaOH + H2 [4]

Esta ecuación se encuentra balanceada y, además del hidrógeno, se produce oxígeno. En consecuencia, la reacción deberá ser más violenta y la llama más intensa. También produce monóxido de carbono (CO), gas altamente tóxico. Con parte del oxígeno producido en la reacción se obtiene dióxido de carbono (CO2), gas que en las condiciones de la demostración no representa peligro. En este punto de la discusión, se puede plantear una serie de inquietudes sobre la experiencia y las reacciones propuestas: ¿Qué se entiende por principio de Le Chatelier? ¿Antes de producirse la llama se observó algo que llamara la atención? ¿Qué otras sales podrían remplazar a una o a las dos empleadas en el experimento? Además de la llama, ¿se observó otro fenómeno? ¿El hidrógeno y el oxígeno son solubles en agua o en una solución como la preparada en la demostración?2 (5) ¿Qué sucede si el agua en la cual se lleva a cabo la disolución se encuentra mezclada con compuestos como hexano, alcohol o acetona?

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Bien sea por consulta de los alumnos o por información del profesor, se encuentra que la solubilidad de estos gases en agua es muy baja. En la experiencia debería observarse un burbujeo en el seno de la solución. Como este burbujeo no se produce, debe haber ocurrido algo diferente o no ocurren las reacciones propuestas.

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LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

¿Pueden ser aceleradas estas reacciones si se usa un catalizador como hidróxido de sodio, base que también tiene el ion común sodio? Este paso de la demostración es importante y tiene por objeto valorar la observación como elemento de análisis de una situación. Una obserYDFLyQFXLGDGRVD\VXUHÁH[LyQIUHQWHDODVKLSyWHVLVSODQWHDGDVSXHGH ser determinante para la descripción del proceso. Es el caso de esta experiencia, en que las hipótesis propuestas presentan una serie de errores conceptuales que deben examinarse con los alumnos participantes. Es útil hacer un “censo” de los conceptos utilizados para respaldar las hipótesis planteadas y proponer un marco conceptual de referencia que caracterizará el contexto de trabajo. ¿Cuál es el resultado de este censo? Para alcanzarlo es necesario volYHUVREUHODH[SOLFDFLyQSURSXHVWDSDUDLULGHQWLÀFDQGRORVFRQFHSWRV combustión, solución, solubilidad, iones, estado de equilibrio, punto de equilibrio, principio de Le Chatelier, reaccionantes, productos, reacción química, velocidad de reacción. Con estos conceptos es posible construir un marco conceptual que nos permite analizar las hipótesis planteadas y explicar lo observado en la demostración.

ANÁLISIS Con base en la reacción [1] propuesta se aplica el principio de Le Chatelier, porque “tanto el bicarbonato de sodio como el cloruro de sodio aportan un catión común (Na+) que desplazaría el equilibrio hacia la formación de los productos”.

CONCEPTUALIZACIÓN El hecho de que “abunde” cierta especie, en este caso el ion sodio proviene de dos fuentes, no implica que la reacción se desplace hacia la formación de los productos. El principio de Le Chatelier no es aplicable a este caso. En primer lugar, el sistema no presenta un estado de equilibrio en las reacciones propuestas y, en segundo lugar, el desplazamiento del equilibrio (si tiene lugar) ocurre cuando se adicionan o retiran UHDFFLRQDQWHVRSURGXFWRVRVHPRGLÀFDQORVSDUiPHWURVTXHDIHFWDQ el sistema químico en equilibrio, generando un desplazamiento de este para contrarrestar la variación introducida.

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Aceptar el planteamiento propuesto, que la “abundancia” de un ion puede incidir en el rompimiento de las moléculas de agua para liberar hidrógeno, sería como aceptar que al agregar sal a la sopa se producirían burbujas de hidrógeno y sería peligrosísimo tomar sopa en una cena romántica a la luz de unas velas.

ANÁLISIS La explicación “... los dos iones sodio (Na+) se unen al ion carbonato (CO32-) formando el carbonato de sodio (Na2CO3), al tiempo que el ion hidroxilo (OH-) del agua se une con el ion cloruro (Cl-) de la sal formando el ácido hipocloroso (HClO)...”

CONCEPTUALIZACIÓN A esta explicación del fenómeno se pueden hacer varias observaciones. La primera es que el carbonato de sodio es soluble en agua3 y no se precipita en las condiciones de la experiencia. (Para información más detallada ver lectura complementaria 4). La segunda es que el ácido hipocloroso es débil (ka = 4,8x10-8) y tiene una fracción disociada muy pequeña en la forma H+ y ClO-, y no en la forma OH- y Cl-. Además, dos iones con la misma carga (negativa) no dan origen a una molécula neutra. En conclusión, cloruro de sodio, bicarbonato de sodio, agua y una llama QRVRQVXÀFLHQWHVSDUDDUPDUXQLQFHQGLR Entonces, cuando se acercó el fósforo encendido, ¿qué originó la combustión? Lo primero que podría pensarse es que en alguna forma está presente en el sistema un combustible, posiblemente de naturaleza orgánica, no miscible con el agua, menos denso que ella (para que permaneciera HQ OD VXSHUÀFLH  \ WUDQVSDUHQWH SDUD QR VHU REVHUYDGR FRQ IDFLOLGDG Como puede verse, se ha mencionado una serie de características de ese “compuesto secreto” que vale la pena analizar más en detalle. Véanse lecturas complementarias 1, 2 y 3.

3

La solubilidad del carbonato de sodio a 20oC es 21.4 g/100 mL de agua.

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Demostraciones como estas apuntan fundamentalmente a destacar la DFWLWXG GHO KRPEUH VHD FLHQWtÀFR HVWXGLDQWH GH HGXFDFLyQ EiVLFD \ media o ciudadano común y corriente, frente a los hechos que a diario se le presentan y tienen un mensaje: “Permanentemente se debe reÁH[LRQDUFRQEDVHVVyOLGDVVREUHORTXHVHYHVHR\H\VHKDFHSDUDQR ser como los borregos que para donde los arrean para allá se van”. Como dice el refrán, “no todo lo que brilla es oro” y, a veces, más en ciencias experimentales, hay que ser como Santo Tomás: hasta no ver no creer. Por más que lo diga el profesor o el doctor no hay que pasar entero, es GHFLUVLQUHÁH[LRQDU Nota. Algunos aspectos de esta demostración, así como de los apéndices indicados, fueron desarrollados por Adam Wasserman como alumno de química inorgánica en marzo de 1994. Hoy es doctor en bioquímica.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Frederick Dean, J. Chem. Educ. 2000, 77, 1594. 2. Belisario Matos, Los chibchas, Bogotá, 1938. 3. Judson, L. Ihring. Chemistry, 1972, 45, 16. 4. Yu, Fiálkov. Propiedades extraordinarias de las soluciones corrientes. Ed. Mir, Moscú, 1985, p. 23. 5. Dagoberto Cáceres y José Muñoz Comentarios sobre el discurso químico en la escuela, Programa RED, Universidad Nacional de Colombia, 2002, p. 91.

LECTURA COMPLEMENTARIA 1

COMBUSTIÓN Cuando hablamos de combustión, de inmediato la asociamos al petróleo, o a los hidrocarburos, compuestos saturados que al reaccionar con el oxígeno liberan energía. El ejemplo de la vida diaria es la gasolina en los motores de combustión interna. Si tomamos como referencia el n-hexano, el compuesto “secreto” en el agua ardiente, este libera 4.140

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kJ (990,6 kcal) por cada mol que reacciona con el oxígeno. En general, OD HQHUJtD OLEHUDGD SRUPRO DXPHQWD FRQ HO WDPDxRGHO KLGURFDUEXUR por cada -CH2- en la cadena carbonada, el incremento es 652 kJ (156 kcal). Podría pensarse que cuanto más carbonos tenga la cadena del hidrocarburo tanto más energía se generaría en la combustión. Tomando como base el n-hexano (C6H14), el metano (CH4) y el eicosano (C20H42) deberían liberar aproximadamente: Metano

990,6 – 156 x 5 = 210,6 kcal/mol = 880 kJ/mol

Eicosano

990,6 + 156 x 14 = 3.175 kcal/mol = 13.268 kJ/mol

Los datos experimentales son: 881,5 kJ/mol para el metano y 13.305 kJ/mol para el eicosano.

Figura 1. Calor de combustión de hidrocarburos kJ/g.

Sin embargo, se debe tener en cuenta que a medida que aumenta el número de carbonos del hidrocarburo, proporcionalmente la masa auPHQWDPiVUiSLGDPHQWHTXHODHQHUJtDOLEHUDGDDOTXHPDUVHSRU HVR los calores de combustión, referidos a masas iguales del hidrocarburo, presentan un máximo en el metano y disminuyen rápidamente hasta llegar prácticamente constantes a partir del C8/DJUiÀFDSUHVHQWDGDHQ ODÀJXUDPXHVWUDHVHFRPSRUWDPLHQWRGHO&1 al C20. Podríamos buscar otras relaciones. Por ejemplo, si se calcula el porcenWDMH GH KLGUyJHQR HQ ORV KLGURFDUEXURV \ VH JUDÀFD FRQWUD HO Q~PHUR

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de carbonos, el máximo es para el metano y disminuye hasta un valor SUiFWLFDPHQWHFRQVWDQWHHVGHFLUVHGDXQDUHODFLyQHQWUHHOFDORUGH combustión de los hidrocarburos y el porcentaje de hidrógeno. Sería de interés hacer un análisis similar tomando los hidrocarburos líquidos (C5 a C10) y calcular el calor de combustión con referencia a 1 mL del hidrocarburo para ampliar el contexto de análisis. En este caso se debe tener en cuenta la densidad del hidrocarburo. Volviendo a la demostración, se mencionaron al menos tres características para el compuesto secreto: transparente, no miscible con el agua (insoluble), menos denso que ésta y arde cuando se le acerca una fósforo encendido. Veamos muy brevemente estas características.

CARACTERÍSTICAS DEL COMPUESTO TRANSPARENCIA La presentan compuestos o materiales que no absorben radiaciones correspondientes al intervalo de longitud de onda (O) de la luz visible (400 nm – 700 nm)4. Por eso el material es transparente.

INSOLUBILIDAD EN AGUA Esta propiedad se puede relacionar con la no polaridad del compuesto. En general, los alcanos tienen enlaces polares, pero en conjunto son compuestos de muy baja polaridad y, en algunos casos, prácticamente apolares.

Figura 2 4

1 nm = 10-9PQP QDQyPHWURP PHWUR

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Las interacciones de las moléculas de agua entre sí son más fuertes que ODV GH pVWDV \ ODV PROpFXODV GHO KLGURFDUEXUR HQ RWUDV SDODEUDV ODV moléculas de agua se agrupan entre sí y las del hidrocarburo entre sí, como se observa en el recipiente A. Al agitar el sistema se provoca la mezcla de las moléculas de agua y el hidrocarburo, como se representa en el recipiente B. Al dejar en reposo, se vuelve a la situación inicial, como se observa en el recipiente C. La capa superior corresponderá al compuesto de menor densidad. Aquí podemos preguntarnos qué explicación se da al hecho de que un líquido menos denso se ubique sobre el más denso, y no al contrario. Ante esta pregunta, aparentemente trivial, se abre una posibilidad de análisis interesante, destacando que esta inquietud la aclaró Galileo *DOLOHLDÀQDOHVGHOVLJOR;9,HQVXWUDEDMRVREUHÁRWDFLyQGHORVFXHUSRV Es posible incluso, tener una aproximación sobre el tiempo que demora ODFDSDGHXQKLGURFDUEXURHQDVFHQGHUDODVXSHUÀFLHGHRWUROtTXLGRGH mayor densidad, en este caso el agua5. Un análisis más profundo del sistema permite calcular la velocidad de DVFHQVR GHO FRPSXHVWR PHQRV GHQVR TXH HO DJXD SHUR FRPR HVWH QR es el objetivo de la demostración, se puede visualizar el fenómeno con una sencilla experiencia. En una probeta se mezclan 100 mL de agua y unas gotas de aceite (mineral o de cocina) y se agita. Al dejar en reposo, observamos que las gotas de aceite que se encuentran en el fondo del recipiente ascienden a determinada velocidad que va disminuyendo D PHGLGD TXH VH DFHUFDQ D OD VXSHUÀFLH GHO DJXD SRU HVR VH YH XQD DFXPXODFLyQ GH DFHLWH FHUFD GH OD VXSHUÀFLH 7UDQVFXUULUi XQ WLHPSR prolongado para observar claramente diferenciadas la capa de aceite de la capa de agua. Volviendo a la demostración, en la probeta donde se realizó la experiencia se añadieron con antelación a la adición de la solución acuosa de las dos sales (cloruro de sodio y bicarbonato de sodio), unas gotas del compuesto “secreto”, en este caso el n-hexano, que ascendió tan UiSLGDPHQWHTXHVRQVXÀFLHQWHVGRVVHJXQGRVGHVSXpVGHDGLFLRQDGDOD solución acuosa, para proseguir con la demostración, es decir acercar el fósforo encendido y apreciar como “arde el agua”.

5

En la lectura complementaria 3 se analizan elementos sencillos acerca de esta situación.

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ENERGÍA DE ACTIVACIÓN Es oportuno hacer otra observación que da acceso a un contexto muy LPSRUWDQWHHQORVSURFHVRVTXtPLFRVVHDQQDWXUDOHVRDUWLÀFLDOHV La reacción que ocurre cuando se acerca el fósoforo a la “solución acuosa” se representa por la ecuación C6H14(l) + 9,5 O2(g)

6CO2(g) + 7H2O(l)

'H = - 4.140 kJ/mol

[5]

Figura 3

/DUHDFFLyQHVWHUPRGLQiPLFDPHQWHIDYRUDEOHORFXDOVLJQLÀFDTXHHO balance de energía para el proceso indica que los productos de la reacción poseen menos energía que los reaccionantes. Esta situación se UHSUHVHQWDPHGLDQWHXQDJUiÀFDFRPRODDGMXQWD3DUDUHDFFLRQDUODV PROpFXODVGHEHQSRVHHUXQPtQLPRGHHQHUJtDLQGLFDGRSRUHOQLYHO$ es decir que sólo las moléculas de los reaccionantes que posean este nivel de energía pueden dar lugar a los productos. En otras palabras, para que la reacción se inicie hay que darle un “empujoncito”, que llamamos energía de activación y la designamos por Ea. En el caso de la demostración, la llama del fósforo aporta la energía de activación. Otro ejemplo de esta característica de las reacciones químicas lo observamos cuando se abre la llave del gas de la estufa. Si el piloto está apagado, no ocurre la combustión, pues aporta la energía para iniciar la reacción de combustión con el oxígeno del aire. Después de comenzada la reacción, por ser exotérmica, suministra la energía para que otras moléculas de los reaccionantes interactúen y den lugar a los productos. Otro ejemplo se tiene en una mezcla de hidrógeno y oxígeno que puede

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SHUPDQHFHU PXFKR WLHPSR VLQ TXH KD\D UHDFFLyQ SHUR EDVWD DFHUFDU una fuente de energía (un fósforo encendido o una resistencia incandescente, como en la práctica del cañón de hidrógeno (6)), para que la reacción se inicie y se desarrolle rápidamente. Es importante mencionar que el objetivo de esta demostración tiene que ver con la actitud que se toma frente a los hechos que a diario se SUHVHQWDQ \ WLHQH XQ PHQVDMH SHUPDQHQWHPHQWH VH GHEH UHÁH[LRQDU con bases sólidas sobre lo que se ve, se oye y se hace, para no ser como borregos que para donde los arrean para allá se van.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 6. Dagoberto Cáceres, José Muñoz. Comentarios sobre el discurso químico en la escuela. Programa RED, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, 2002, p. 97.

BIBLIOGRAFÍA GENERAL Atkins, P.W. Fisicoquímica. 3ª ed. Addisson Wesley, Wilmington, 1991. David, F. y David, S. J. Chem. Educ., 1991, 68, 594. CRC. Handbook of Chemistry and Physics. CRC Press, Florida, 1988. Skoog, D. y West, D. Química analítica, 4ª ed. McGraw-Hill, México, 1992.

LECTURA COMPLEMENTARIA 2

VISCOSIDAD Esta palabra es familiar porque frecuentemente la oímos y la usamos en diferentes contextos. La visión generalizada es que al aceite, sea de cocina o lubricante, se le asigna la característica de viscoso, asociada a la GLÀFXOWDGRUHVLVWHQFLDDÁXLUHQOHQJXDMHFRP~Q´HVFXUUHOHQWDPHQte”. Por el contrario, líquidos como el agua y la gasolina se caracterizan SRUTXH ÁX\HQ FRQ IDFLOLGDG FRPSDUDGRV FRQ ORV DFHLWHV  SRU HVR VH asocian a una baja viscosidad.

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LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

Esta conceptualización es general y no permite mayor profundización SDUDOOHJDUDXQDHVFDODGHPHGLGDGHHVWDSURSLHGDGGHORVOtTXLGRV pero es posible examinar en niveles básicos aproximaciones a una formalización del concepto. Para lograr esto hay que volver sobre un aspecto de la estructura de la materia, la teoría cinético-molecular, cuya visión de la naturaleza de los líquidos se puede condensar en cuatro puntos. 1. Las fuerzas de atracción entre las moléculas del líquido son apreciables. 2. Las moléculas se encuentran relativamente cercanas (más que en los gases y menos que en los sólidos). 3. Las moléculas están en permanente movimiento al azar. 4. La energía cinética promedio de las moléculas es proporcional a la temperatura absoluta. De acuerdo con estos puntos, es posible plantear que en un líquido sus unidades constitutivas tienen cierta libertad de movimiento de traslación, que les permite desplazarse respecto de sus vecinas y reacomodarVHGHDFXHUGRFRQODVFLUFXQVWDQFLDVSRUHVRORVOtTXLGRVSXHGHQÁXLU\ tomar la forma del recipiente que los contiene. Así, los aceites lubricanWHVÁX\HQFRQOHQWLWXGSRUTXHHQWUHVXVXQLGDGHVH[LVWHXQDDWUDFFLyQ TXHOLPLWDVXGHVSOD]DPLHQWRHQWUHVXVYHFLQDVHQHODJXDRODJDVROLQD estas fuerzas son menores y se facilita su desplazamiento. /RV GHVDUUROORV TXH VH YDQ D SUHVHQWDU HQ IRUPD PX\ VLPSOLÀFDGD QR tienen otro objetivo que mostrar una forma de trabajo para describir los sistemas y su comportamiento, a partir de aspectos observables, medibles como el tiempo, la distancia y la densidad, o calculables como la fuerza de gravedad, fuerza de empuje (Arquímedes). No se pretende analizar con los alumnos este tipo de desarrollos para llegar a las ecuaFLRQHVÀQDOHVVLQRH[DPLQDUPRGHORVVHQFLOORVTXHSXHGHQDFHUFDUVHD los sistemas reales e intentar describirlos en forma muy aproximada. En primera instancia, puede plantearse que la viscosidad es una propieGDGGHORVOtTXLGRVTXHWLHQHUHODFLyQFRQVXUHVLVWHQFLDDÁXLU&XDQWR PiVOHQWRVHDHOÁXMRPiVYLVFRVRHVHOOtTXLGR En este punto se dispone del primer elemento para llegar a una escala de medida: un modelo de estructura de los líquidos como el que se

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UHSUHVHQWDHQODÀJXUDGRQGHODV esferas6 corresponden a las unidades constitutivas del líquido y las líneas dibujadas representan las interacciones de atracción entre ellas. Para llegar a una medida de la viscosidad, es necesario hacer una “idealización”7 del sistema, procedimiento común para explicar el comportamiento de la naturaleza (7). Figura 4

A partir del modelo (ideal) de estructura de los líquidos, es posible visualizar o aislar dos capas paralelas del líquido que se desplazan, una respecto de la otra, a una velocidad determinada y están separadas por una distancia dada (no se debe olvidar que es una idealización). Una IRUPDGHUHSUHVHQWDUHVWDVLWXDFLyQVHPXHVWUDHQODÀJXUD

Figura 5

Analizando la representación del sistema, la capa de líquido que se desplaza a mayor velocidad (capa inferior) debe vencer la fricción con la otra capa de líquido. Esa fricción se asocia a la viscosidad. 6HGHÀQHODXQLGDGGHYLVFRVLGDGFRPRODIXHU]DSRUXQLGDGGHiUHDTXH VHRSRQHDOPRYLPLHQWRGHGRVFDSDVSDUDOHODVGHÁXLGRXQDVREUHOD otra, cuando la diferencia de velocidad entre ellas es 1 cm/s y están separadas 1 cm. 6 7

Como es una representación en un plano se dibujan círculos.  ,GHDOL]DFLyQVXSRVLFLyQVLPSOLÀFDGDTXHLQWHQWDUHSUHVHQWDUHQIRUPDOLPLWDGDXQD situación de la realidad.

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LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

/DXQLGDGDVtGHÀQLGDVHOODPDSRLVH8. Entonces la viscosidad de un líquido será 1 poise, si una fuerza de 1 dina desplaza a una velocidad de 1 cm/s una unidad de área del líquido sobre otra unidad de área que se HQFXHQWUDDXQDGLVWDQFLDGHFP$XQTXHHVWDHVXQDIRUPDGHGHÀQLU la unidad de viscosidad, el problema está en establecer la escala de medida correspondiente. Para ello se tomarán dos caminos. (OSULPHURVHEDVDHQHOÁXMRGHOOtTXLGR por un tubo largo y estrecho. Nuevamente se plantea una idealización del sistePD WXEROtTXLGR ÁX\HQGR UHSUHVHQWDGR HQ OD ÀJXUD  PHGLDQWH XQ FRUWH KRULzontal del tubo, donde los círculos representan capas concéntricas del líquido que se desplazan unas respecto de las RWUDV FXDQGR HO OtTXLGR ÁX\H (Q RWUDV palabras, son cilindros concéntricos de líquido que se desplazan unos respecto Figura 6 de los otros. Debe anotarse que las capas del líquido cercanas a la pared del tubo permanecen estacionarias (no se GHVSOD]DQ VLHOOtTXLGRKXPHGHFHODVXSHUÀFLHLQWHUQDGHOWXER A medida que nos desplazamos al centro del tubo, la velocidad de las capas aumenta. En un corte longitudinal del tubo (a lo largo del tubo), los valores relativos de la velocidad VHUHSUHVHQWDQSRUODORQJLWXGGHODVÁHFKDV FRPRVHPXHVWUDHQODÀJXUD(QHVWDVFRQGLFLRQHVVHGLFHTXHHOÁXMRGHOtTXLGRHVODPLnar y la fricción entre las capas concéntricas tienden a oponerse al desplazamiento del líTXLGRHVDIULFFLyQVHUHODFLRQDFRQODYLVFRVLGDG&XDQWRPiVYLVFRVRVHDHOOtTXLGRÁXLUi PiVOHQWDPHQWHSRUHOFRQWUDULRVLHOOtTXLGR es muy poco viscoso, las fuerzas de fricción VHUiQSHTXHxDV\HOOtTXLGRÁXLUiDPD\RUYHFigura 7 locidad. 8

 3RLVHXLOOH-XDQ 0pGLFRIUDQFpVDXWRUGHODOH\TXHGHVFULEHHOÁXMRGH líquidos por tubos de diámetro pequeño. En su honor, la unidad de viscosidad se llama poise.

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La viscosidad se mide con el viscosímetro de Otswald, cuyo esquema VHPXHVWUDHQODÀJXUD(OYDORUREWHQLGRSRUHVWHPpWRGRVHFRQRFH como viscosidad absoluta. (OPpWRGRFRQVLVWHHQPHGLUHOWLHPSRTXHGHPRUDHQÁXLUXQYROXPHQ GDGRGHOtTXLGRSRUHOFDSLODU(OYROXPHQTXHÁX\HHVHOFRQWHQLGRHQtre los niveles a y b del bulbo superior. Los demás factores de la ecuación son conocidos. Para el agua a 20oC, el cálculo de la viscosidad da un valor de 10,05 x 10-3 poises o 10,05 milipoises. La viscosidad absoluta en milipoises para algunos líquidos a 20oC es: Acetona: 0,0331 Tetracloruro de carbono: 9,69 Benceno: 6,47 Éter etílico: 2,33 Etanol: 12,0 Mercurio: 15,54 Agua: 10,02

Figura 8

La segunda forma de medir la viscosidad es la esfera descendente. Este se fundamenta en la fuerza de fricción que actúa sobre una esfera de radio r que desciende a una velocidad constante en el seno de un líquido de viscosidad K. Gabriel Stokes9 analizó el sistema y formuló la ley que lleva su apellido y que permite calcular la fuerza de fricción que actúa sobre la esfera. Con los elementos presentados en este apéndice, los alumnos pueden construir su propia escala de viscosidad usando, por ejemplo, esferas adecuadamente seleccionadas para medir tiempos y velocidades de caída en el seno de diferentes líquidos. 9

Sir Gabriel Stokes (1819-1903). Matemático y físico inglés.

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Se debe destacar que para describir los sistemas se deben tener bases mínimas para construir un modelo que se aproxime lo más posible a la situación real, aunque no se logrará uno que se ajuste totalmente a la realidad. Esas bases mínimas contemplan factores medibles o calculables a partir de los elementos que describen el modelo. En el método del viscosímetro de Otswald, se puede medir la densidad del líquido, el radio y la longitud del tubo capilar y el volumen del líquido. En el método de la caída de la esfera, se puede medir la densidad de la esfera y el OtTXLGR\HOUDGLRGHODHVIHUDDVtPLVPRVHSXHGHFDOFXODUODYHORFLGDG determinando el tiempo de caída de la esfera.

BIBLIOGRAFÍA GENERAL Crockford, H.B., y S. Bight. Fundamentals of Physical Chemistry, 2a. ed. John Wiley, Nueva York, 1966. Diccionario Enciclopédico Labor, Vol. 6. Editorial Labor, Barcelona, 1967. Dillard, C. y D. Goldberg. Química. Reacciones, estructuras, propiedades, Fondo Editorial, Bogotá, 1971. Maron, S. C. Pruton. Principles of Physical chemistry, 4a. ed. Collier McMillan, Nueva York, 1965. Salvat. Enciclopedia Salvat de Ciencia y Tecnología, Vol. 1. Salvat, 1964.

REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA 7. R. Battino, S. Wood, A. Williamson. J. Chem. Educ. 2001, 78, 136468.

LECTURA COMPLEMENTARIA 3

MISCIBILIDAD ¿Qué explicación podemos dar al hecho observable que de dos líquidos no miscibles, el de menor densidad se ubica sobre el de mayor densidad y no al contrario?

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Este comportamiento de los líquidos que observamos con frecuencia es tan familiar que pasa inadvertido. Por ejemplo, en emulsiones de tipo terapéutico o industrial que se deben agitar antes de usarse para homogeneizarlas, porque al dejarlas en reposo durante algún tiempo se pueden separar dos o más capas. En la descripción de este comportamiento tiene mucho que ver la física. La explicación se remonta a Galileo Galilei TXLHQDÀQDOHVGHOVLJOR;9,UHDOL]yWUDEDMRVVREUHOD´ÁRWDFLyQGHORV cuerpos”. Incluso es posible tener una idea del tiempo que toma la capa GHQKH[DQRGHQXHVWUDGHPRVWUDFLyQHQDVFHQGHUDODVXSHUÀFLH(OVLVWHPDQRHVVHQFLOOR\SDUDQRWHQHUTXHKDFHUVLPSOLÀFDFLRQHVTXHQRV desviarían del objetivo, haremos una aproximación mediante el análisis cualitativo con base en un modelo idealizado como el que se muestra HQODÀJXUD La esfera negra representa una microgota de n-hexano y las esferas blancas moléculas de agua. ¿Qué fuerzas inciden sobre la molécula de nhexano? Fg = fuerza de gravedad

Figura 9

Fb = fuerza generada por el empuje del líquido desplazado

Fv = fuerza generada por la oposición de las moléculas de agua al paso de la molécula de n-hexano. Se asocia a la viscosidad. 6LHOQKH[DQRDVFLHQGHHVWDIXHU]DVHHMHUFHKDFLDDEDMRVLHOQKH[Dno desciende, la fuerza se ejerce hacia arriba. El hecho observable es que el n-hexano asciende, lo cual quiere decir que la fuerza resultante es ascendente. La situación es: Fuerzas hacia abajo: Fg y Fv

Fuerzas hacia arriba: Fb

De acuerdo con lo observado, Fb > Fg + Fv Analizando más en detalle, podemos decir que la fuerza Fb depende de ODPDVDGHOOtTXLGRGHVSOD]DGRODIXHU]D)JGHSHQGHGHODPDVDGHOD PROpFXODGHQKH[DQR\HVWDVGHSHQGHQGHODGHQVLGDG(VGHFLUFXDQto mayor sea la diferencia de densidades de los dos líquidos, mayor será la fuerza resultante y más rápido ascenderá el líquido menos denso.

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Una forma de visualizar este equilibrio de fuerzas es tomar una probeta llena de agua y hacer dos experiencias. La primera es soltar en la parte media de la probeta una esfera pequeña de vidrio o acero (materiales PiVGHQVRVTXHHODJXD ODHVIHUDYDDOIRQGRGHOUHFLSLHQWH(QHVWH caso la fuerza de atracción de la gravedad es mayor que la suma de la fuerza de empuje, Fb, más la fuerza asociada a la viscosidad, Fv. La segunda experiencia es usar esferas de tamaño similar, pero de material de menor densidad que el agua (corcho, icopor). Al soltarlas en la SDUWHPHGLDGHODSUREHWDDVFLHQGHQKDFLDODVXSHUÀFLH(QHVWHFDVR la fuerza de empuje, Fb, por el volumen de líquido desplazado es mayor que la suma de la fuerza de gravedad, Fg, más la fuerza asociada a la viscosidad, Fv. Las experiencias pueden repetirse cambiando el agua por otro líquido (que no reaccione con el material de las esferas), como aceite de cocina o glicerina. En conclusión, podemos destacar que los sistemas tienen diferentes niveles de análisis y, a medida que los modelos pretenden ser más cercanos a la realidad, su complejidad se incrementa. Sin embargo, es posible partir de elementos sencillos para llegar a un primer nivel de explicación manteniendo la rigurosidad necesaria. Es claro que la explicación dada es “incompleta”, pero es adecuada como ejercicio para el manejo de modelos.

BIBLIOGRAFÍA GENERAL Crockford, H.B., y S.B., Knight. Fundamentals of Physical Chemistry, 2ª ed. John Wiley, Nueva York, 1966.

LECTURA COMPLEMENTARIA 4

ÁCIDOS, BASES, HIDRÓLISIS, PH El agua no es un agente pasivo como solvente en innumerables procesos. En las soluciones, sus propiedades ácido-base son el fundamento de la escala de pH mencionada en diferentes contextos: alimentos, acueductos, productos de belleza y hasta religioso, como el caso presentado un PLpUFROHVGHFHQL]DFXDQGRDORVÀHOHVGHXQDSDUURTXLDODFHQL]DFHniza y agua) les produjo un ardor en la frente. El médico que los atendió atribuyó el malestar a un pH ácido.

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No se pretende hacer un desarrollo extenso de los conceptos, sino un análisis muy general sobre el equilibrio ácido-base en medio acuoso. El paso inicial puede ser partir de un modelo de ácido-base como el de Bronsted-Lowry (han sido propuestos otros modelos) y aplicarlo al medio acuoso. Ácido. Compuesto en capacidad de ceder (donar, dar) protones (H+). Base. Compuesto en capacidad de aceptar (recibir) protones (H+). Es oportuno anotar que, en sistemas acuosos, si hay un ácido necesariamente existe una base, y viceversa. Siempre están juntos. ¿Cómo se describe la tendencia a ceder o aceptar protones? Seguramente hemos oído que existen ácidos fuertes y débiles, así como bases fuertes y débiles. En el primer caso (fuertes), la tendencia a ceder protones RDFHSWDUORVHVDOWDHQHOVHJXQGRFDVRGpELOHV HVEDMD&XDOTXLHUD que sea el caso se describe con dos elementos: la ecuación química que representa el proceso en equilibrio y el valor numérico correspondiente a la constante de equilibrio. Para el caso de los ácidos se designa por .DSDUDODVEDVHVSRU.E(VWRVYDORUHVWDPELpQVHOODPDQFRQVWDQWHV de disociación. $QWHVGHFRQWLQXDUDFODUHPRVEUHYHPHQWHHOVLJQLÀFDGRGHORVWpUPLQRV equilibrio y constante de equilibrio, aplicados a los procesos químicos. Las reacciones químicas dependen de la naturaleza de los reaccionantes, de los productos y de las condiciones en que se realizan. No siempre en todos los casos se presenta una transformación total de reaccionantes en productos. La reacción descrita por la ecuación HCl(ac) + NaOH(ac)

NaCl(ac) +H2O(l)

indica que en esta reacción hubo transformación total de reaccionantes HQSURGXFWRVSRUHVRODÁHFKDYDHQXQVRORVHQWLGR La reacción descrita por la ecuación 3H2(g) + N2(g)

2NH3(g)

indica que no ocurre una transformación total de reaccionantes en SURGXFWRVSRUHVRDSDUHFHQGRVÁHFKDVLQGLFDQGRORVGRVVHQWLGRVGH

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LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

reacción. En otras palabras, estamos indicando que la reacción llega a un estado de equilibrio en que las reacciones opuestas continúan, y las concentraciones de reaccionantes y productos permanecen constantes. Se puede establecer una relación entre las concentraciones, que llamamos constante de equilibrio Keq.

Un valor numérico alto de esta constante indica que la reacción se lleva a cabo en gran proporción en el sentido directo (izquierda a derecha), y lo contrario si el valor es pequeño. La notación entre corchetes cuadrados, [ ], indica concentración molar. Volviendo de nuevo a los sistemas ácido-base, el agua tiene una característica muy particular: puede comportarse como ácido o como base dependiendo de los iones que se encuentren en solución y, consigo misma, en lo que se llama autodisociación. Esta se describe mediante el equilibrio H 2O + H 2O

H3O+ + OH-

que puede representarse con más detalle cuando una molécula de agua se comporta como ácido y otra como base H - OH + H - OH

H3O+ + OH-

La especie H3O+ se llama ion hidronio y generalmente se designa por H+, notación que usaremos en adelante. Para el sistema anterior, la expresión de la constante de equilibrio K es:

Como para los líquidos y sólidos puros su concentración es constante, la expresión se transforma en K [H2O]2 = [H+] [OH-] La nueva constante se llama constante de disociación del agua, Kw, y tiene un valor de Kw = [H+] [OH-] = 1x10-14

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Analizando esta expresión se deduce que el agua se disocia muy poco y que el proceso alcanza el estado de equilibrio cuando el producto de las concentraciones de protones e hidroxilos tiene el valor indicado, que siempre se va a cumplir en medio acuoso. Por la estequiometría del proceso, las concentraciones de protones e hidroxilos son iguales. Por tanto, para el agua pura se tiene: [H+] = [OH-] = 1 x 10-7 M que caracteriza un sistema ácido-base neutro. Otra forma de expresar las características ácido-base de un sistema acuoso es con el pH y el S2+GHÀQLGRVHQSULPHUDLQVWDQFLDFRPRS+ ORJ>++] y pOH = -log[OH-] cuyo valor en las condiciones dadas es: pH = 7 y pOH = 7. El equilibrio de disociación del agua se puede desplazar por adición de compuestos que al disolverse incrementan la concentración de protones o hidroxilos. Por ejemplo, al adicionar ácido clorhídrico en concentración 0,001 M (ácido fuerte, disocia totalmente), se incrementa la concentración de protones y, para mantener el valor de Kw, disminuye la de hidroxilos. (1 x 10-3) [OH-] = 1 x 10-14 de donde [OH-] = 1 x 10-11 M OXHJRHOS+ HOS2+ \ODVROXFLyQVHFODVLÀFDFRPRiFLGD Si el compuesto solubilizado en el agua disminuye la concentración de protones (el compuesto adicionado recibe protones), se incrementa la concentración de hidroxilos Por ejemplo, si [H+] = 1 x lO-9 M, entonces [OH-] = 1 x 10-5 M /XHJRHOS+ HOS2+ \ODVROXFLyQVHFODVLÀFDFRPREiVLFD Nótese que la suma pH + pOH = 14 permite concluir que el mínimo valor de pH será cero para [H+] = 1M, y el máximo será 14 para [H+] = 1 x 10-14, que corresponden respectivamente a [OH-] = 1 x 10-14 (pOH =14) y [OH-] = 1 M (pOH = 0). Llegamos así a una primera aproximación a la escala de pH que estaría entre los límites cero y catorce. ¿Qué compuestos pueden recibir protones del agua? Las bases fuertes como los hidróxidos alcalinos y alcalino térreos que disocian el 100% se comportarían como bases frente al agua.

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NaOH

Na+ + OH-

Estas bases incrementan la concentración de hidroxilos y, a su vez, reciben protones y hacen disminuir su concentración. También pueden ser especies químicas como el ion carbonato (CO32-) y

el ion cianuro (CN-), que pueden ser provistos por disolución de las sales correspondientes. Na2CO3

2 Na+ + C032-

NaCN

Na+ + CN-

Al ser bases más fuertes que el agua, esta se comporta como ácido y le cede protones. CO32- + H-OH CN- + H-OH

HCO3-+ OHHCN + OH-

Aquí se deben hacer dos observaciones. 1. Las reacciones dan como resultado la producción de hidroxilos y, por tanto, la solución será básica. 2. Este tipo de interacción de las especies químicas con el agua recibe el nombre de hidrólisis. Es un equilibrio y su correspondiente constante se llama constante de hidrólisis, Kh. Para las dos reacciones anteriores, las constantes de hidrólisis son respectivamente:

¿Qué ocurre al bicarbonato de sodio adicionado en la demostración? Puede comportarse como ácido (tiene protones para ceder) o como base (puede recibir protones). ¿Cómo se comporta el bicarbonato de sodio frente al agua? Se tienen dos procesos que compiten entre sí. El primero es la transferencia de protones del agua (ácido) al ion bicarbonato (base), que tiende a hacer el medio básico, y se describe por la ecuación: HCO3- + H-OH

H2CO3 + OH-

Kb = 2,4x10-8

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El segundo es la transferencia de un protón del ion bicarbonato (ácido) al agua (base), que tiende a hacer el medio ácido, y se describe por la ecuación: HCO3- + H-OH

C032- + H3O+

Ka = 5,6 x 10-11

De acuerdo con los valores de las correspondientes constantes de equilibrio, la primera de las reacciones se realiza en una extensión mayor que ODVHJXQGDSRUFRQVLJXLHQWHODVROXFLyQGHEHVHUOLJHUDPHQWHDOFDOLQD aproximadamente un pH = 8,2. En estas condiciones, la concentración de ion carbonato (CO32-) es muy baja y no hay disponibilidad para que se SUHFLSLWHHOFDUERQDWRGHVRGLRFRPRVHSURSRQHHQXQDGHODVMXVWLÀcaciones de la demostración. Para el caso del ion cianuro (CN-) la situación es similar. Cuando se disuelve el cianuro de sodio en agua, pueden describirse los dos procesos. NaCN (s)

Na+ + CNH 2O

CN- + HOH

HCN + OH-

Keq. = 2,5 x 10-5

HCN + HOH

CN- + H3O+

Keq. = 4,9 x 10-10

De acuerdo con los valores de las correspondientes constantes de equilibrio, la primera de las reacciones se lleva a cabo en una mayor extenVLyQTXHODVHJXQGDSRUWDQWRODVROXFLyQGHFLDQXURGHVRGLRGHEHVHU ligeramente alcalina.

BIBLIOGRAFÍA GENERAL Morris, Gareth. A Biologist’s Physical Chemistry. Addisson Wesley, Londres, 1969.

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SOLUCIÓN ACUOSA

contiene SOLUTO

AGUA

como MOLÉCULAS

interactúan con

IONES

AGUA

generando comportamiento como

como Na+ , K + , ClCO 32- , HCO31PO 43- , H 2PO 41-

sacarosa acetona

ÁCIDO

cuando Ceden protones al agua

BÁSICO

NEUTRO

cuando

cuando

Reciben protones del agua

Ni reciben ni aceptan protones

como

como

HCl ; HNO 3 ; HCO 31- ; NH4+

NH 3 ; CO32- : CN - ; CH3-COO -

descrito por

como Na+ ; K+ ; Li + ; NO31-

descrito por NH 4+ + OH -

HCl + H-OH

H3O + + Cl-

NH 3 + H-OH

HNO 3 + H-OH

H3O + + NO 31-

CO 32- + H-OH

HCO 31- + OH -

HCO 31- + H-OH

H3O + + CO 32-

CN - + H-OH

HCN + OH -

NH 4+ +

H3O + + NH 3

CH 3-COO - + H-OH

H-OH

CH 3-COOH + OH -

son procesos de

HIDRÓLISIS pueden generar

pueden generar descritos por

MEDIO ÁCIDO

SISTEMA EN EQUILIBRIO

MEDIO BÁSICO

descrito por

Ka

CONSTANTE DE HIDRÓLISIS

Kb

Kh

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CAPÍTULO 2 TEMPERATURA DE EBULLICIÓN

INTRODUCCIÓN ¿El agua puede hervir (llegar a la ebullición) únicamente a 100oC, a 92oC? La ebullición está presente en la vida diaria desde edades muy tempranas, así sea como un rótulo. Expresiones como “ponga” a hervir el agua para el café, hay que hervir la leche y muchas más entran a formar parte de nuestro lenguaje cotidiano desde que estamos muy pequeños. Posteriormente, durante la primaria o el bachillerato, encontramos con frecuencia que el agua al nivel del mar hierve (llega a la ebullición) a 100oC y en Bogotá, a 92oC. Se plantea así otro interrogante: ¿puede hervir el agua a temperaturas diferentes de las indicadas?

DEMOSTRACIÓN Antes de dar respuesta a los interrogantes planteados, proponemos hacer un par de experiencias y observar cuidadosamente lo que sucede. Para la primera experiencia necesitamos un balón de fondo redondo de 250 mL, un tapón de caucho para el balón, un aro o pinza para sostener el balón, un soporte, un mechero, un termómetro (-10oC a 150oC), una bolsa plástica pequeña y hielo picado.

Figura 10

Figura 11

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Se vierten 125 mL de agua en el balón, se sujeta al soporte por medio de ODSLQ]DÀJXUD \VHFDOLHQWDFRQHOPHFKHURKDVWDoC medidos con el termómetro. Para escalas de temperatura, véase el apéndice A. Cuando se alcanza la temperatura indicada, se tapa de inmediato con HOWDSyQ\VHLQYLHUWHFRPRVHPXHVWUDHQODÀJXUD3UHYLDPHQWHVH alista el hielo picado en una bolsa plástica, que se coloca cubriendo la parte del balón que no está ocupada por el agua líquida.

Figura 12

Una variante de esta experiencia consiste en llenar una jeringa con agua a 80o&FRPRVHPXHVWUDHQODÀJXUD$/XHJRFRQODDJXMDKDFLDDUULba se desplaza el aire que hubiera podido quedar y se sella con el tapón GHFDXFKRÀJXUD% )LQDOPHQWHVHÀMDDOVRSRUWHFRQXQDSLQ]D\VH KDODHOpPERORGHODMHULQJDÀJXUD&  (QSRFRVVHJXQGRVVHSURGXFHQEXUEXMDVHODJXDKLHUYH\HVWiDPHQRV de 80oC.

ANÁLISIS INICIAL La primera observación es que el agua puede hervir (llegar a la ebullición) a una temperatura menor de 80oC, tomando como criterio de ebullición la producción abundante de burbujas. Igualmente podemos DÀUPDUTXHHQODVGRVGHPRVWUDFLRQHVODIDVHJDVHRVDHQFRQWDFWRFRQ el líquido se ha sometido a un enfriamiento en el primer caso y a una disminución de la presión en el segundo, con el mismo resultado: el agua hierve a una temperatura menor de 80oC.

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Aquí surgen al menos tres inquietudes o interrogantes: ¿Qué es tempeUDWXUDGHHEXOOLFLyQJHQHUDOPHQWHOODPDGRSXQWRGHHEXOOLFLyQ"¢TXp relación se puede plantear entre la temperatura de ebullición y la preVLyQ"¢TXpUHODFLyQVHSXHGHSODQWHDUHQWUHODIDVHJDVHRVDHQFRQWDFWR con el líquido y la temperatura de ebullición de éste? $QWHVGHSURFHGHUDLGHQWLÀFDU\UHODFLRQDUORVHOHPHQWRVTXHQRVSXHden servir para resolver las inquietudes planteadas, demos una mirada a nuestro alrededor y localicemos situaciones en que pueden estar relacionados un líquido y su fase gaseosa correspondiente. Si queremos retirar el agua de una pieza de ropa que se ha lavado, la colgamos de una cuerda, lo más extendida posible, para que se seque UiSLGRSHURVLQRKDFHVRORUHFLpQKDGHMDGRGHOORYHUHOSURFHVRSXHGH ser algo demorado. En otro contexto, todos hemos observado que al dejar agua líquida en un recipiente abierto al aire, después de un tiempo el nivel baja y, según ODV FRQGLFLRQHV GHO DPELHQWH SXHGH OOHJDU D ´VHFDUVHµ HQ HVWH FDVR decimos que el líquido se “evaporó”. Si el líquido es acetona, se observa el mismo comportamiento en menos tiempo. Para explicarlo, decimos que la acetona es más volátil que el agua en las mismas condiciones. Si en un pequeño recipiente de vidrio, una copa por ejemplo, tomamos un volumen de acetona y rodeamos la copa con la mano, sentimos “frío”. Efecto similar detectamos si el líquido es alcohol y será mucho más marcado si el líquido es éter. ¿Qué podemos decir al respecto? En principio, al menos dos cosas: 1. El hecho de sentir frío al tocar el recipiente de vidrio implica que algo que “no vemos” ocurre y utiliza el calor de nuestra mano. (Para FRQRFHUVREUHÁXMRGHFDORU\WHPSHUDWXUDYpDVH/HFWXUDFRPSOHPHQWDULD 3RGHPRVVDEHUORTXHRFXUUHFRQHOVHQWLGRGHOROIDWR en el caso de la acetona y el éter, los percibimos con facilidad a los pocos segundos de tener en la mano el recipiente de vidrio. 6HJ~QORDQWHULRUSRGHPRVGHFLUTXHVHHVWDEOHFHXQÁXMRGHFDORU de nuestra mano hacia el vidrio de la copa y de ésta hacia el líquido, TXHÀQDOPHQWHWHUPLQD´HYDSRUiQGRVHµPX\UiSLGRHQHOFDVRGHO éter, algo lento para la acetona y aún más lento para el agua. 7UDVODGpPRQRVDKRUDDRWUROXJDUODFRFLQDGHODFDVD+R\HQGtDHV rutinario el uso de la olla a presión para el cocimiento de los alimentos

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“duros”. Como nuestro objetivo no son los alimentos, sino el fenómeno de la evaporación, respondamos la pregunta ¿en cuánto tiempo se considera que el alimento está cocinado? La respuesta varía, pero la experiencia cotidiana enseña que, dependiendo del alimento, hay que esperar uno, dos o tres “pitazos”, es decir momentos en los que la pesita ubicada sobre la tapa sube y vemos que sale “una corriente de vapor”. (QSRFRWLHPSRODSHVDYXHOYHDFDHU\VHVXVSHQGHODVDOLGDGHYDSRU en este caso, de agua. ¿Qué diferencia existe entre el vapor que se produce cuando dejamos el líquido en un recipiente abierto y el que se produce en la olla a presión? En cuanto a su naturaleza ninguna, pero en cuanto a las condiciones hay una gran diferencia. En el recipiente abierto el proceso de evaporación se puede considerar continuo, porque al cabo de un tiempo el líquido GHVDSDUHFHHQRWUDVSDODEUDVHOSURFHVR se realiza en una sola dirección, situación TXHUHSUHVHQWDPRVHQODÀJXUD1RKD\ Figura 13 barrera que impida que las partículas del OtTXLGR TXH HVWiQ HQ OD VXSHUÀFLH SDVHQ ´OLEUHPHQWHµ DO DLUH \ FRPR ODLQWHUDFFLyQHQWUHHOODVSUiFWLFDPHQWHGHVDSDUHFHVHFRQÀJXUDQODV características de un gas: el vapor del líquido.

Figura 14

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LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

(QODROODDSUHVLyQVHKDSXHVWRXQREVWiFXORODWDSD\ODYiOYXODDGHmás se suministra calor para acelerar la evaporación. Desde un comienzo se produce vapor (agua en estado gaseoso) que se va acumulando entre ODVXSHUÀFLHGHOOtTXLGR\ODWDSD(ODJXDFRPRJDVHMHUFHXQDSUHVLyQ que aumenta en tanto más gas (vapor) se acumule. Cuando la presión es tal que la fuerza, Fv que se ejerce sobre la válvula es mayor que su peso, Fg, ésta sube dejando escapar gas (vapor de agua). Pero llega el PRPHQWRHQTXHKDVDOLGRHOJDVVXÀFLHQWHSDUDTXHODSUHVLyQEDMHD un nivel tal, que el peso de la válvula es mayor que la fuerza debida a la presión del gas y ésta cae cerrando la salida para comenzar un nuevo ciclo. Una forma de representar estos tres momentos se muestra en las ÀJXUDV$%\& Analicemos otra situación alrededor de este proceso para intentar responder a la pregunta ¿qué pasará en un recipiente tapado que contiene un líquido a temperatura ambiente? La primera anotación es que la temperatura permanece constante en HVWHFDVRODVHJXQGDTXHQRVHFXHQWDFRQXQDYiOYXODTXHHQXQPRmento dado deje escapar gas (vapor del líquido). &RPRVHPXHVWUDHQODÀJXUDVHOOHJDUiDXQHVWDGRHQTXHVHUiQ WDQWDVODVPROpFXODVGHOOtTXLGRHQHVWDGRGHYDSRUFRQÀQDGDVHQWUHOD VXSHUÀFLHGHOOtTXLGR\ODWDSDGHOUHFLSLHQWHTXHpVWHHVSDFLRQRUHFLEH más, es decir, ese ambiente se satura con el vapor del líquido. Si lo analizamos en el nivel molecular, aplicando el modelo corpuscular de estructura de la materia, el número de moléculas del líquido que se desprenden y pasan al estado gaseoso es igual a las del gas que pasan al estado líquido, estableciéndose un “equilibrio”. En estas condiciones, el número de moléculas en estado gaseoso no varía y, por tanto, la presión que ejercen es constante. (No se debe olvidar que la temperatura es constante e igual a la del ambiente). La presión ejercida por el gas en estas condiciones se llama “presión de vapor”.

Figura 15

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¿Qué ocurre si el líquido es muy volátil? Las fuerzas de atracción entre las moléculas del líquido son menores, están menos retenidas y salen más fácilmente y en mayor cantidad al estado gaseoso. Cuando se alcanza el “equilibrio” (a temperatura determinada), habrá más moléculas en estado gaseoso, comparadas con las del líquido, menos volátil en las PLVPDVFRQGLFLRQHV\SRUWDQWRODSUHVLyQTXHHMHUFHQVHUiPD\RUHV decir, tiene mayor presión de vapor. En el aire, ¿podemos hablar de presión de vapor? Dos ejemplos de la vida diaria darán elementos para responder a esta pregunta. Cuando disfrutamos de una bebida, por ejemplo cerveza fría, refresco RXQOLFRUHQODVURFDVDOFDERGHXQWLHPSRQRWDPRVTXHODVXSHUÀFLH externa del vaso se opaca hasta el nivel interno del líquido, se cubre de una película de agua. Si en un día lluvioso y frío vamos en un automóvil con las ventanas ceUUDGDVHQSRFRWLHPSRODVXSHUÀFLHLQWHULRUGHORVYLGULRVVHRSDFDVH cubre con una película de agua. ¿De dónde sale esta agua? La respuesta es obvia, estaba en el aire que nos rodea como gas (vapor GHDJXD /DVPROpFXODVGHHVWHJDVDOFKRFDUFRQODVXSHUÀFLHIUtDGHO YDVRSLHUGHQHQHUJtD\SDVDQDOHVWDGROtTXLGRFXEULHQGRODVXSHUÀFLH ¿Qué podemos hacer para retirar esa capa de líquido? Dejando de lado lo normal que es pasar una toalla para absorber el agua, otro método que se aplica en los automotores es encender el ventilador o el aire acondicionado para que circule aire caliente por el ámbito del automóvil. El HIHFWRÀQDOHVHOPLVPRSHURODIRUPDGHORJUDUORGLÀHUHXQSRFR En el primer caso, al calentar el ambiente desaparece la capa de agua que cubría el vidrio. ¿Qué se hace esa agua? Pasa nuevamente al amELHQWH FRPR YDSRU 6L FRPSDUDPRV OD VLWXDFLyQ LQLFLDO FRQ OD ÀQDO HQ la primera el aire del automóvil estaba saturado con vapor de agua y el producido por los ocupantes genera un exceso que al chocar con la VXSHUÀFLHIUtDGHOYLGULRSLHUGHHQHUJtD\SDVDDOHVWDGROtTXLGRVHFRQGHQVD (QODVLWXDFLyQÀQDOHOKHFKRGHFDOHQWDUHODLUHKDFHTXHpVWH pueda recibir más vapor de agua, por lo cual el agua que cubre la superÀFLHGHOYLGULRVHHYDSRUD\SDVDDODLUH Con el aire acondicionado se controla la temperatura, la humedad relativa y la circulación del aire dentro del automóvil. Para ampliar el concepto de humedad relativa, véase Lectura complementaria 7.

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Con base en estos dos ejemplos, podemos plantear algunas conclusiones. - El ambiente en condiciones dadas de temperatura posee una capacidad determinada para recibir vapor de agua. - La capacidad del ambiente para recibir vapor de agua aumenta con la temperatura. - Cuanto mayor sea la cantidad de vapor de agua en el ambiente, mayor es la presión que ejerce. - Cuanto mayor sea la temperatura, mayor es la presión ejercida por el vapor de agua. - Cuanto más volátil sea un líquido (pasa más fácilmente al estado de vapor), mayor será la presión de vapor en unas condiciones dadas. - En todos los casos estamos hablando de un sistema líquido-vapor, porque siempre están presentes las dos fases: líquida y gaseosa. Para explicar los comportamientos observados, hemos acudido a modelos físicos que permiten describir aproximadamente los comportamientos de la materia. En este caso utilizamos el “modelo cinético molecular”, que considera los gases conformados por partículas en movimiento y en HVWDGR JDVHRVR WLHQHQ HO Pi[LPR GH OLEHUWDG HQ HO HVWDGR OtTXLGR VX movimiento está más restringido y en el estado sólido tienen el máximo de restricción, es decir, el mínimo de libertad de movimiento. De acuerdo con el modelo utilizado, las partículas del líquido que están HQSRVLELOLGDGGHSDVDUDOHVWDGRGHYDSRUVRQODVGHODVXSHUÀFLH$OFRmienzo serán más las que pasan de líquido a vapor, pero al mismo tiempo pasarán de vapor a líquido hasta alcanzar un estado de equilibrio en que el número de partículas que pasan de líquido a vapor es igual a las que pasan de vapor a líquido. En estas condiciones, la masa de vapor es constante y ejercerá determinada presión, llamada presión de vapor. Al aumentar la temperatura, la mayor energía hace que más partículas GHO OtTXLGR SDVHQ D YDSRU FXDQGR VH UHVWDEOHFH HO HTXLOLEULR OtTXLGR vapor, la masa de vapor es mayor y, por tanto, será mayor la presión de vapor. Como la presión de vapor aumenta con la temperatura, cada líquido tiene una temperatura característica a la cual la presión de vapor se hace

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igual a la presión externa ejercida sobre el líquido. Esta temperatura se llama punto de ebullición. Desde esta perspectiva, cuanto más volátil sea un líquido, tendrá mayor presión de vapor y le será más fácil igualar la presión externa. Esta situación se logra a menor temperatura. Ampliemos este aspecto. En primer lugar, nótese que al hacer referencia al punto de ebullición se habla de presión externa, que no siempre es la atmosférica. Como la situación más común es ésta, la mayoría de los WH[WRVHVFRODUHVGHÀQHQWHPSHUDWXUDGHHEXOOLFLyQFRQUHIHUHQFLDDOD presión atmosférica. Cuando nos hallamos al nivel del mar (presión 1 atm), se llama punto de ebullición normal. Volviendo a la demostración, el agua puede hervir (llegar a la ebullición) a una presión diferente a la atmosférica. Supongamos que en las condiciones de Bogotá (presión atmosférica 560 mm de Hg), un líquido A tiene una presión de vapor de 18 mm y un líquido B tiene una presión de vapor de 40 mm. Al suministrar calor a estos dos líquidos su temperatura va aumentando y, por tanto, su presión de vapor, de 18 mm en adelante para el líquido A y de 40 mm en adelante para el líquido B. De estos dos líquidos, la presión de vapor del líquido B igualará más rápidamente la presión externa, en este caso la atmosférica, y por tanto la alcanzará a una temperatura menor que el líquido A. Si la presión externa no es la atmosférica, como el caso de la demostración, la situación es la misma, sólo que por ser más baja esa presión externa, la presión de vapor la igualará a una temperatura menor. Supongamos un líquido que a una presión atmosférica de 560 mm de Hg hierve a 75oC en la altura de Bogotá, es decir, que a esa temperatura la presión de vapor del líquido se hace igual a la externa, la atmosférica. Si este líquido se encuentra en un sistema cerrado donde la presión externa al líquido es 400 mm de Hg, al suministrarle calor su presión de vapor igualará la presión externa (400 mm) a una temperatura menor de 75oC. En el mismo sentido, si la presión externa es mayor que la atmosférica, por ejemplo 900 mm de Hg, se requerirá que el líquido alcance una temperatura aproximada de 105oC para que llegue a la ebullición. Para visualizar este comportamiento de los líquidos, podemos represenWDUHQXQDJUiÀFDODUHODFLyQHQWUHSUHVLyQGHYDSRU\WHPSHUDWXUDSDUD la acetona, el alcohol y el agua (orden decreciente de volatilidad) (8). /RVGDWRVSDUDODFRQVWUXFFLyQGHHVWDJUiÀFDVRQH[SHULPHQWDOHV

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De acuerdo con lo descrito hasta ahora, es posible hacer un análisis breYHGHODÀJXUD

Figura 16. Presión de vapor vs. temperatura.

- Si los líquidos están en un recipiente abierto al nivel de mar, donde la presión es 1 atm, llegarán a la ebullición a 56oC, 78oC y 100oC aproximadamente. - Si la determinación de la temperatura de ebullición se realiza en la cima de una montaña como la Sierra Nevada de Santa Marta a 5.800 metros sobre el nivel del mar, donde la presión externa es cercana a 400 mm de Hg, los líquidos hervirán a 39oC, 63oC y 83oC. - Si la determinación se hace a una altura por debajo del nivel del mar, por ejemplo en la frontera entre Israel y Jordania, en el mar Muerto, que se encuentra a 395 metros bajo el nivel del mar, donde la presión es aproximadamente 793 mm de Hg, el agua llegará a la ebullición a unos 105oC. Disponemos ahora de los elementos para responder a los tres interrogantes planteados en el análisis inicial. Temperatura de ebullición. (Punto de ebullición). Temperatura a la cual la presión de vapor del líquido se hace igual a la presión externa que actúa sobre el líquido. Si esta presión es la atmosférica y al nivel del mar, se llama punto de ebullición normal.

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Es oportuno anotar que el punto de ebullición es una característica particular (propia de cada líquido) y por tanto se toma como un criterio de pureza. Los valores que se encuentran en las tablas y bibliografía en geQHUDOVHUHÀHUHQDOSXQWRGHHEXOOLFLyQQRUPDO&RPRQRVLHPSUHVHWUDbaja en estas condiciones, al punto de ebullición determinado (en otras condiciones, generalmente de presión menor) se aplica una corrección que viene dada por la relación: (9) c = K (760 – P)(t + 273) En esta relación la presión se expresa en mm de Hg y la temperatura en grados centígrados. donde c = corrección. Valor que se suma a la temperatura de ebullición experimental. K = constante que se toma como 0,00012 para los líquidos con IXHU]DVGHFRKHVLyQVLJQLÀFDWLYDVDJXDDOFRKRODFHWRQD \ como 0,00010 para líquidos en estas fuerzas son muy bajas (benceno, éter, ciclohexano). P = presión a la que se realiza la determinación de la temperatura de ebullición. t = temperatura de ebullición experimental. Relación entre temperatura de ebullición y presión. La relación es diUHFWDPDVQROLQHDOFRPRVHGHGXFHGHODIRUPDGHODJUiÀFD3YYV Temperatura. Relación entre la fase gaseosa y la temperatura de ebullición. Esta tercera inquietud tiene que ver con el hecho observado en la primera demostración: al disminuir la temperatura de la fase gaseosa dentro del EDOyQ OD WHPSHUDWXUD GH HEXOOLFLyQ GLVPLQX\H HQ RWUDV SDODEUDV OD presión sobre el líquido disminuye al enfriar la fase gaseosa. ¿Qué explicación podemos dar? Asumiendo que se manejan las relaciones masapresión-volumen-temperatura para los sistemas gaseosos, distingamos tres momentos en la experiencia mencionada. 1. Calentamiento del agua con el balón destapado. La presión de la fase gaseosa es la atmosférica (560 mm de Hg en Bogotá), porque el líquido está en contacto con el ambiente.

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2. Al tapar el balón a la temperatura indicada (80oC), la fase gaseosa dentro del recipiente estará a la presión atmosférica. Esta fase gaseosa, además de contener los componentes más abundantes del aire, oxígeno (O2) y nitrógeno (N2), contiene vapor de agua que, a la temperatura inicial de la demostración, ejerce una presión de 355 PPGH+JYpDVHJUiÀFDGHSUHVLyQGHYDSRUFRQWUDWHPSHUDWXUD  por tanto, el resto de los componentes de esta fase ejercerán una presión de 205 mm de Hg (ley de presiones parciales). Con base en estos valores se puede concluir que cerca de la mitad de esta fase gaseosa es vapor de agua que la satura. 3. Al enfriar (disminuir la temperatura) con el hielo se pueden plantear varias posibilidades. x Al enfriar disminuye el volumen de la fase gaseosa (proporcionalidad volumen-temperatura directa), pero en las condiciones de la experiencia (paredes rígidas) no se presenta la contracción de volumen, lo cual lleva a una disminución de la presión en la fase gaseosa (relación temperatura-presión directa a volumen constante). x Uno o más componentes de la fase gaseosa pasan a la fase líquida, lo cual podría presentarse al menos en dos formas. Que los componentes gaseosos como el oxígeno y el nitrógeno presentes VHVROXELOL]DUDQSHURDOFRQVXOWDUODELEOLRJUDItDVXVROXELOLGDGHQ agua es baja en condiciones normales y bastante más a la temperatura de trabajo en la demostración (proporcionalidad inversa entre solubilidad de gases y temperatura). Por tanto, la muy baja proporción de estos gases que se solubilizarían no producirían una disminución de tal magnitud para que el agua hirviera por debajo de los 80oC. x Al disminuir la temperatura, la capacidad del medio gaseoso para contener vapor de agua disminuye. No se debe olvidar que a 80oC la fase gaseosa ya está saturada de vapor de agua, y si la temperatura disminuye hasta unos 60oC, la cantidad de vapor de agua que puede contener es menor y el exceso (sobrante) pasa de la IDVHJDVHRVDDODIDVHOtTXLGDOXHJRVHFRQGHQVDGLVPLQX\HQGROD masa del gas y, como el volumen permanece constante, la presión disminuye. Además, al disminuir la temperatura, la presión ejercida por la fase gaseosa remanente disminuye. De estos dos últimos factores, el primero es de mayor incidencia en la disminución de

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la presión y, por consiguiente, en la disminución de la temperatura de ebullición del líquido. En la experiencia con la jeringa, la conclusión es obvia: al halar el émbolo se aumenta el volumen de la fase gaseosa y, como la masa y temperatura son constantes, la presión disminuye y el líquido hervirá a temperatura baja, al menos por debajo de 80oC. &RQHVWDVUHÁH[LRQHVVHGDXQDUHVSXHVWDDOWHUFHULQWHUURJDQWHSODQteado. Queda pendiente un concepto al que diariamente se hace referencia, cuando por la radio o la televisión se habla sobre el estado del tiempo y el clima: la humedad relativa. Para no desviarnos del objetivo de la demostración, este concepto se estudia en la Lectura complementaria 7. Como conclusión general se muestra que experiencias posibles de realizar dentro de un contexto escolar, aula de clase o laboratorio, tienen relación con hechos del diario vivir. Para estudiarlas y obtener de ellas el máximo provecho, se puede partir bien sea del aula con una proyección a la vida diaria o de la vida diaria con una proyección al aula. Podríamos decir que con esta forma de trabajo se amplía el concepto de contexto escolar, puesto que éste desborda los límites físicos de la escuela y hace del conocimiento escolar una herramienta fundamental para relacionarse con la cotidianidad.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 8. H.B. Crockford y S.B. Knight. Fundamentals of Physical Chemistry. John Wiley, NuevaYork, 1966, p. 34. 9. M.J. Gómez, P. Moreno. Manual de prácticas de análisis orgánico. Universidad Nacional de Colombia, Departamento de Química, 1988, p.15.

LECTURA COMPLEMENTARIA 5

INTRODUCCIÓN Seguramente muchos de nosotros hemos oído mencionar a Francisco José de Caldas en dos contextos: como revolucionario de su época frente al dominio español y como hombre ilustrado e inquieto que desarrolló

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DFWLYLGDGHVTXHKR\OODPDPRVFLHQWtÀFDV'HDKtTXHWDPELpQVHOHFRnozca como el Sabio Caldas. El texto que se propone como lectura complementaria de esta parte tiene varios objetivos. El primero, mostrar que la inquietud por entender lo que nos rodea no compete, ni ha sido, ni es trabajo de personas ajenas a nuestra nacionalidad. Desde hace muchos años varios compatriotas se KDQGHGLFDGRDHVWH´RÀFLRµ(OVHJXQGRTXHODOHFWXUDGHHVWHGRFXmento del Sabio Caldas permite analizar con nuestros estudiantes una VHULHGHFRQFHSWRVTXHVHKDQPRGLÀFDGRGHVGHHQWRQFHV/DULTXH]D GHHVWDOHFWXUDSUHFLVDPHQWHUDGLFDDOOtHQLGHQWLÀFDUHVRVFRQFHSWRV UHÁH[LRQDU VREUH HOORV \ SRU GHFLUOR DVt ´DFWXDOL]DUORVµ SDUD QRVRWURV como maestros y para los alumnos. El tercer objetivo es destacar la importancia del registro cuidadoso de la información, evidente en la lectura del trabajo realizado por Caldas. Como todo no debe ser ciencia, es oportuno mencionar algunos aspectos de la vida y obra de Francisco José de Caldas. Nació en Popayán en 1768, al parecer el 4 de octubre. Inició estudios en el seminario y luego viajó a Santafé a continuar sus estudios en el Colegio de Nuestra Señora del Rosario en 1793, mostrándose particularmente interesado por las matemáticas y la astronomía. Trabajó con el barón de Humboldt y ya en 1797 habló de la posibilidad de conectar las aguas de los dos océanos rompiendo el pequeño estrecho que separa los ríos Atrato y San Juan. Hacia 1805 entró a trabajar en la Expedición Botánica y Mutis lo encargó de dirigir el Observatorio Astronómico. El 20 de julio de 1810 participó decisivamente en los incidentes que prendieron la chispa libertadora y con Joaquín Camacho fundó el considerado primer periódico de la República: Diario Político de Santafé de Bogotá. Cuando en 1811 Nariño fue nombrado presidente de Cundinamarca, organizó el cuerpo de ingenieros y Caldas fue designado capitán. Después GHLQÀQLGDGGHDFWLYLGDGHVWpFQLFDVFLHQWtÀFDV\SROtWLFDVYLQRODUHFRQquista y luego de ser enjuiciado, fue fusilado el 29 de octubre de 1816. La lectura que se presenta a continuación es un fragmento de una Memoria extractada de la publicación de la Universidad Nacional de Colombia (1966) titulada Obras Completas de Francisco José de Caldas.

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SOBRE EL ORIGEN DEL SISTEMA DE MEDIR LAS MONTAÑAS Y SOBRE EL PROYECTO DE UNA EXPEDICIÓN CIENTÍFICA

Un día trabajaba por señalar el término superior de la escala de un termómetro que se había roto en el extremo del tubo, y se podía componer. Sumergí mi tubo en el agua hirviendo, subió, no a los 80º de Reaumur (véase lectura complementaria 6), porque obraba a 800 toesas10 sobre el nivel del mar, y con solo la presión de 22 pulgadas 11 líneas, en lugar de las 29 que necesitaba. Los grados de mi nueva escala eran muy cortos y era preciso ensancharlos. ¿Pero qué principios debían conducir mi cálculo? Nada hallaba HVFULWRHQSDUWLFXODU0HGLWRUHÁH[LRQR\KHDTXtTXHQDFHQHQ mi espíritu estas ideas. Me decía a mí mismo: el calor del agua hirviendo es constante a igual presión atmosférica, si se obra sobre agua pura y en vaso conveniente, es menor este calor cuando se disminuye la presión y es proporcional a ésta. ¿No es éste el más bello método para determinar tanto la presión atmosférica como la elevación de los lugares, con tanta exactitud como lo puede hacer el barómetro y quién sabe si libre de los efectos de las atracciones del calibre de los tubos, de la pureza del mercurio, de la forma y diámetro de la cubeta que siempre afectan a este? El calor del agua es proporcional a la elevación en que hierve, como lo es la columna de mercurio en el barómetro al peso de la atmósfera. He aquí, concluía yo, reunidos en el termómetro las propiedades de ambos instrumentos. Volvía sobre mis pasos, examinaba de nuevo mis principios: todos eran incontestables, todos eran unas verdades físicas. ¿Habré hecho yo un descubrimiento? ¿Se habrán ocultado estas ideas a los hombres más grandes? Sea como fuere, a mí se me acaban de presentar por sí solas. Yo vivo en las tinieblas de Popayán: el libro más reciente que ha llegado a mis manos es SiJDXWGHOD)RQGHVWHQDGDGLFHVREUHPLDVXQWR\QDGDSLHUGR con creerme, si no primero, al menos original. Ardía en deseos de poner en práctica mi modo de pensar. Un termómetro roto era todo mi aparato, y me veía ligadas las manos. Sé que un particular poseía uno y le guardaba como una alhaja preciosa. 10

Toesa: antigua medida francesa de longitud equivalente a 1,949 m.

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Tomo mis medidas, le saco de sus manos, examino el término KLHORORKDOOREXHQRVXSRQJRWDPELpQEXHQRHODJXDKLUYLHQdo, por ser de Dollond, cerrado a las 28 pulgadas en Londres, H[DPLQRODHVFDODQRHUDPX\H[DFWDVXVWLWX\RRWUDDGDSWR XQDODPLQLOODPRYLEOHTXHKDFHODVYHFHVGHQRQLRRYHUQLHU con esto divido el grado en diez partes. Preparado mi termómetro decía: los 80oC de calor del agua indican 28 pulgadas. El grado que medí en Popayán es el calor que debe corresponder a 22 pulgadas11 líneas, que es la altura a la TXHVHPDQWLHQHHQ3RSD\iQODGLIHUHQFLDGHHVWRVJUDGRVGH calor es a la diferencia del barómetro, como un grado del termómetro a la cantidad que corresponde en el barómetro. Este resultado debe ser el exponente para con solo el calor del agua hirviendo calcular la del mercurio en el barómetro. Hago mis primeros ensayos, y el resultado es de los más felices. El cálculo me da por altura del barómetro en Popayán 22 pulgadas 10(3/4) líneas, sólo 1/4 de línea más pequeño que la que indicaba mi barómetro. ¡Ah! ¡qué júbilo se apodera de mi corazón! ¡Qué GHVHRTXpIXURUGHYHULÀFDUPLPpWRGRFRQQXHYDVREVHUYDFLRnes hechas a diferentes elevaciones! La cordillera de los Andes, en cuyo pie está Popayán, era el teatro destinado a mis opeUDFLRQHVODVTXHYHULÀTXpFRQODPD\RUDFWLYLGDG\FHOR1DGD se oponía al buen éxito de mi teoría que la perplejidad en que estamos de la altura media del mercurio al nivel del mar, en la vecindad de la línea, a pesar de las observaciones de Bouger, La Condamine, Juán, Ulloa. No quería hacer depender mis trabajos de esta elevación incierta, y tomé el partido siguiente. Llené mi barómetro con la última escrupulosidad: no perdí de vista la más pequeña circunstancia: mercurio, cubeta, escala, WRGRVHUHFWLÀFy(PSUHQGtXQDVHULHGHREVHUYDFLRQHVGHOEDrómetro, casi de hora en hora, por mucho tiempo, para asegurarme de la elevación de él en Popayán, destilé agua con todo el aseo y cuidado imaginable, en alambiques nuevos y preparados H[SURIHVRVXMHWpHVWDDJXDDOH[DPHQGHODVROXFLyQGHSODWD \GHPHUFXULRSRUHOHVStULWXGHQLWURODKHUYtPXFKDVYHFHV consultando el barómetro en el mismo momento, e indiqué el calor del agua en mi termómetro. Los resultados fueron 75º 65 término de Reaumur, cuando el barómetro indicaba 22 pulgadas 11,2 líneas tomé el nivel y la presión de Popayán como el término a que debía comparar mis elevaciones, y los resultados de mi trabajo sobre o bajo su nivel.

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Con estos preparativos emprendí un pequeño viaje a la cordillera, con el mismo barómetro, el mismo termómetro, y la misma DJXDYHULÀTXpFLQFRREVHUYDFLRQHVDWRGDPLVDWLVIDFFLyQ&DOculo por solo el calor del agua, y veo con la mayor complacencia TXH PLV UHVXOWDGRV WLHQHQ XQD SUHFLVLyQ TXH QR HVSHUDED ODV mayores diferencias apenas son de 1(1/2) línea, y en las más no llega a ella. En mi viaje a esta ciudad no pude hacer más que dos, que tuvieron el mismo efecto feliz. El exponente, fruto de PLOFRPELQDFLRQHV\WUDEDMRVORKHÀMDGRSRUDKRUDHQo ,974 grados de Reaumur, por una pulgada del barómetro. Yo hallo mil ventajas en este método, que expondré en mi Memoria sobre él, pero sobre de que su exponente es relativo a la altura del barómetro y a la presión y no a la altura del lugar, que jamás sigue la ley de la presión y del calor, es un exponente que necesita de añadir y quitar, ya se obre en altas montañas, ya al nivel del mar. En este estado estaban mis cosas cuando llegó a Quito el Señor Barón. En las primeras conversaciones le traté sobre la materia, y me dijo que Sucio había trabajado sobre el particular, y había enseñado el método de medir montañas con el termómetro. Ya se deja ver con qué ansia oiría al Barón sobre este punto. Yo creo, vi mis ideas como una cosa que había nacido en mi espíritu a 20 años de agotada en Europa, y solo traté de presentar XQDVLGHDVFRQÀUPDWRULDVGHODWHRUtDGH6XFLRDSUHFLDGDSRU ser grandes elevaciones y en la vecindad del ecuador. Insté a este sabio viajero por el exponente y las experiencias de Sucio, pero cuando quiso tomarlo de sus manuscritos, halla que Sucio no había pensado en el agua hirviendo, que este físico solo era el perfeccionador del método de Herder, que asigna 640 pies SRUXQJUDGRGHPHQRVHQHOWHUPyPHWURH[SXHVWRDODLUHYXHOvo yo a entrar en posesión de mi pequeño descubrimiento.

Con base en esta lectura, se pueden analizar varios aspectos: desde la DFWLWXGGHOFLHQWtÀFRIUHQWHDORTXHHQFXHQWUDSDVDQGRSRUHOFXLGDdoso análisis de las observaciones y el cuidado en su realización, hasta ORVHVWDGRVGHiQLPR(VWDPHPRULDUHWUDWDDOFLHQWtÀFR\DOKRPEUH El lenguaje y la redacción utilizados no nos son tan familiares, pero VHLGHQWLÀFDQDVSHFWRVTXHSXHGHQQHFHVLWDUDFODUDFLyQSRUHMHPSOR FXDQGRKDEODGHO´FDORUGHODJXDµVHUHÀHUHDODWHPSHUDWXUDGHHEXllición.

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LECTURA COMPLEMENTARIA 6

TEMPERATURA, ESCALAS, MEDIDA La temperatura como vocablo y como número lo relacionamos con frío o caliente. Es tan familiar el hecho de usar un termómetro para medirla, que no nos inquieta su razón de ser, ni su origen ni las posibles impliFDFLRQHVTXHWLHQHHOQ~PHURTXHOHHPRVVLPSOHPHQWHORXVDPRVSDUD comprobar unas condiciones de trabajo o límites que nos pueden afectar personalmente. El uso cotidiano de la temperatura ha llevado a que frecuentemente se “confunda el resultado de la medida con el concepto. Algo similar ocuUUHFRQHOWLHPSRORVUHORMHVFRPRDSDUDWRGHPHGLGDGHOWLHPSRQRV son totalmente familiares, pero la esencia del tiempo es un concepto más profundo” (10). Por más común que sea, su naturaleza es mucho más sutil. 3DUDFRPHQ]DUHVWDVUHÁH[LRQHVUHWRPHPRVKHFKRVGHODYLGDGLDULDGH las personas. Cuando tocamos un cuerpo u objeto con la mano, podemos experimentar sensación de frío o de caliente. Por ejemplo, al tomar un recipiente de la nevera tenemos la sensación de frío, pero si el recipiente contiene humeante café, al tocar sus paredes tenemos sensación de caliente. La pregunta sería ¿qué hace diferente a los dos recipientes en cuanto a la sensación de frío o caliente? La experiencia cotidiana que tenemos desde los primeros años nos lleva a una primera explicación: en el primer caso el recipiente está más frío que la mano y en el segundo más caliente. Cuando estamos sometidos a un ambiente caliente, como en la costa o en lugares situados a baja altura sobre el nivel del mar, como Melgar, Girardot, Valledupar, Quibdó, nos refrescamos con agua sea en forma de ducha o en la piscina. La pregunta es ¿qué explicación tiene el hecho que el agua “refresque”, es decir que disminuya la temperatura de nuestro cuerpo? Indudablemente el paso siguiente es establecer a qué podemos atribuir esa sensación de frío o caliente. Valga la aclaración que nuestro objeto GHUHÁH[LyQQRLQFOX\HHOPHFDQLVPRSRUHOFXDOHVDVHQVDFLyQOOHJDDO cerebro.

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Cuando en un día frío se enciende la chimenea o el calentador eléctrico en la casa, o en un paseo campestre, al anochecer, se enciende una hoguera para “calentarnos”, necesariamente este efecto se aprecia porque al “quemar” los leños recibimos algo. La combustión que ocurre QRVGD´FDORUµ(QHVWHFDVRHVRTXHOODPDPRV´FDORUµÁX\HGHODOHxD en combustión hacia nosotros, pero con una gran diferencia de cuando tocamos un cuerpo: no hay contacto físico directo con la fuente u origen del calor. Entonces, ese calor que sentimos ¿cómo llega a nosotros si no tocamos las llama o las “brasas”? (VRTXHOODPDPRV´FDORUµR´HQHUJtDWpUPLFDµSXHGHÁXLUGHXQFXHUpo a otro, porque se presenta un contacto físico entre los dos cuerpos \ÁX\HDWUDYpVGHXQFXHUSR3RUHMHPSORDOFDOHQWDUXQH[WUHPRGH una varilla de cobre, en poco tiempo podemos sentir calor en el otro exWUHPR(QHVWHFDVRHOFDORUÁX\HSRUconducción. Se enciende la chiPHQHDRHOFDOHQWDGRUSDUDFDOHQWDUHODPELHQWHHQHVWHVHQWLGR¢FXiO es el receptor del calor? Por la experiencia debe ser algo material que se encuentra entre nosotros y la fuente de calor, que no lo vemos y se desplaza fácilmente por el ambiente, sea cuarto, sala, casa, y al “tocarnos” cede el calor que traía. Comúnmente decimos es el aire caliente. ,GHQWLÀFDPRVSRUDLUHODPDVDJDVHRVDTXHSHUPDQHQWHPHQWHQRVURGHD \RFXSDWRGRHOHVSDFLRGLVSRQLEOH(QHVWHFDVRHVWDIRUPDGHÁXLUHO calor recibe el nombre de convección. El Sol también nos calienta, y está muy lejos. Quedan descartadas las dos formas anteriores de conducción de calor. Hemos leído y oído sobre los daños que puede causar la exposición a los “rayos” solares, que hay que protegerse de las quemaduras de las “radiaciones solares dañinas como los llamados rayos UV”11(VWDHVRWUDIRUPDGHÁXMRGHHQHUJtD la radiación, fenómeno ondulatorio cuyas ondas pueden viajar por el HVSDFLR\QDWXUDOPHQWHSRUODDWPyVIHUD(VODWHUFHUDIRUPDGHÁXMRGH energía térmica: la radiación12. Para terminar esta breve introducción, volvamos sobre la pregunta que aún nos falta por aclarar: el agua como medio para refrescarnos, entendiendo por refrescarse bajar la temperatura de nuestro cuerpo a niveles que nos den comodidad. El hecho real es que si queremos refrescarnos, 11

En algunas zonas, la atmósfera ha perdido capacidad de protección: “agujero de la capa de ozono”.

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La física maneja elementos para el estudio de los fenómenos ondulatorios.

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el agua debe estar en condiciones tales que al entrar en contacto con nuestro cuerpo esté en capacidad de “recibir calor”, es decir que esté a PHQRUWHPSHUDWXUDTXHQXHVWURFXHUSR\DVtKD\DÁXMRGHFDORUGHHVWH hacia el agua. Cuando se trabaja esta temática en un nivel introductorio, aparece una noción en la cual asociamos temperatura a caliente o frío, llegándose al extremo de hablar de “grados de calor” o “grados de frío”, lo cual obviamente está muy lejos del concepto de temperatura. El siguiente escalón podría ser la asociación de temperatura alta a caliente y temperatura baja a frío, pero si no se dispone de una referencia surge la inquietud: ¿qué es temperatura alta y qué es temperatura baja? ¿Cómo se construye esa referencia? En los párrafos anteriores se mencionaron situaciones de las que podríaPRVFRQFOXLUDOHVWDUHQFRQWDFWRGRVFXHUSRV$\%HOFDORUÁX\HGHO FXHUSR$FDOLHQWHKDFLDHOFXHUSR%IUtR\QRDOFRQWUDULR9HUÀJXUD

Figura 17

Figura 18

Al respecto es casi rutinario dar el ejemplo del cubo de hielo sobre un SODWRH[SXHVWRDODPELHQWHHVSRQWiQHDPHQWHHOFXERYDGLVPLQX\HQGR de tamaño porque el agua sólida pasa a agua líquida en un proceso de IXVLyQ HQ HO OHQJXDMH FRORTXLDO VH ´GHUULWHµ 3HUR QXQFD KHPRV YLVWR ni tenido noticia de que el agua líquida que coloquemos en un plato al ambiente (siempre y cuando no sea en los polos o en época de invierno en los extremos norte y sur) espontáneamente pase al estado sólido. Si queremos hacerlo debemos hacer uso del congelador. Qué ocurre si al poner los dos cuerpos en contacto detectamos que no KD\ÁXMRGHFDORUHQQLQJ~QVHQWLGR(OVLVWHPD$%HVWiHQHTXLOLEULR WpUPLFRÀJXUD (QWDOHVFRQGLFLRQHVVHGLFHTXHORVGRVFXHUSRV$

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y B están a la misma temperatura, pero hasta este punto del desarrollo no sabemos cuál es. Si el cuerpo A está más caliente que el cuerpo B, se dice que el cuerpo A está a mayor temperatura que el cuerpo B. Cuando se ponen en conWDFWRKDEUiXQÁXMRGHFDORUGH$KDFLD%SHURGHVSXpVGHXQWLHPSR llegan al equilibrio térmico y, en esas condiciones, los dos cuerpos están a igual temperatura. Podemos decir entonces que una diferencia de temperatura genera un ÁXMRGHFDORUDGHPiVTXHODWHPSHUDWXUDHVXQDSURSLHGDGLQWHQVLYD\ es variable de estado, es decir, que su diferencia depende del valor en los dos estados y no de cómo se llegó de uno a otro. ¿Cómo se construye una escala de temperatura? Se acude a su relación con propiedades de la materia. De todos es conocido que al calentar una muestra gaseosa contenida en un recipiente de paredes móviles, el gas DXPHQWDVXYROXPHQTXHVLXQOtTXLGRVHFDOLHQWDVXYROXPHQDXPHQWD y si lo que se calienta es una varilla de metal, ésta aumenta su longitud. Cuanto más se caliente un gas, líquido o sólido, mayor será la variación de la propiedad. El termómetro es simplemente un líquido, generalmente mercurio, encerrado en un tubo muy delgado que en uno de sus extremos tiene un ensanchamiento (bulbo de paredes muy delgadas) y el otro extremo está cerrado. El espacio libre del tubo está al vacío. Un esquema VHPXHVWUDHQODÀJXUD

Figura 19

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Al acercar un cuerpo “caliente” al bulER VH HVWDEOHFHUi XQ ÁXMR GH FDORU D través de la pared del vidrio hacia el líTXLGRpVWHDXPHQWDUiVXYROXPHQHQOD medida de la cantidad de calor recibida. Como la única posibilidad de expansión es a lo largo del tubo, así lo hará y se obtendrá una columna de líquido más larga. Cuando se retire la fuente de calor, el líquido se contraerá y la columna volverá a su posición original.

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Si el tiempo de contacto entre el cuerpo caliente y el termómetro es VXÀFLHQWHVHOOHJDDOHTXLOLEULRWpUPLFRHQWDOHVFRQGLFLRQHVHOFXHUpo y el líquido del termómetro están a igual temperatura. Esta es la base para construir la escala de temperatura. Es oportuno anotar que el equilibrio térmico se alcanza en varios niveles, dependiendo de qué tan caliente esté el cuerpo.

Figura 20

¿Cómo se procede? Como ejemplo tomemos la escala que hoy conocemos como centígrada. En esta escala se ÀMDQDUELWUDULDPHQWHGRVSXQWRVGH UHIHUHQFLD tomando el agua como patrón. Estos dos puntos son el equiOLEULROtTXLGRVyOLGR y el HTXLOLEULROtTXLGRYDSRU (agua en ebullición). El bulbo del termómetro se introduce en una mezcla de agua líquida y agua sólida (agua líquida-hielo) Figura 20A y se deja el tiempo necesario para alcanzar el equilibrio térmico. Como el mercurio responde rápidamente al calor, se requieren unos pocos minutos. En estas condiciones ORV GRV VLVWHPDV DJXDKLHOR \ PHUFXULR HVWiQ D LJXDO WHPSHUDWXUD$ este estado se asignó arbitrariamente el valor FHUR GH WHPSHUDWXUD Igual procedimiento se sigue empleando agua en ebullición, Figura 20B: alcanzado el equilibrio térmico, la columna de mercurio se habrá alargado y al nivel alcanzado por ella se asigna el valor FLHQGHWHPSHUDWXUD. La longitud de la columna entre estos puntos de referencia se divide HQSDUWHVFDGDGLYLVLyQFRUUHVSRQGHDXQJUDGRFHQWtJUDGR Debe anotarse que las referencias descritas se toman a nivel del mar (presión: 1 atmósfera).

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Se presenta aquí otra inquietud que puede ser objeto de discusión: ¿pueden existir sistemas con temperaturas menores de cero grados y mayores de cien? La escala Fahrenheit toma los mismos dos puntos de referencia, pero asigna al primero (agua líquida-hielo) el valor 32 y al agua en ebullición el valor 212. La longitud de la columna se divide en 180 partes, cada una de las cuales corresponde a un grado Fahrenheit. Al igual que la escala centígrada, la escala se puede ampliar por encima de 212 y por debajo de 32. Otra escala ya prácticamente en desuso es la Reaumur (recordemos que el sabio Caldas trabajo con esta escala), que toma los mismos puntos de referencia. Al primero le asigna el valor cero y al segundo el valor 80. Puede verse claramente que para dos puntos iguales de referencia: aguaKLHOR\DJXDHQHEXOOLFLyQVHDVLJQDQYDORUHVGLIHUHQWHVSDUDLGHQWLÀFDU una condición de temperatura. Hoy en día la de mayor uso es la escala centígrada y en menor extensión la Fahrenheit. Con base en los valores de referencia se puede pasar de una a otra. Establecer la equivalencia es un buen ejercicio de matemáticas. ¿Cómo se mide la temperatura? El método más difundido es el termómetro. Se pone en contacto con el sistema al cual se va a determinar la temperatura, se espera unos segundos para alcanzar el equilibrio térmico (la longitud columna se estabiliza) y se lee la temperatura en la escala del termómetro. El termómetro más usado es el de inmersión parcial. Como su nombre lo indica, solo una parte está en contacto con HOVLVWHPDDOFXDOVHYDDGHWHUPLQDUVXWHPSHUDWXUDHVWDSDUWHHVHO bulbo, que generalmente es un poco más ancho que el resto del termómetro. Cada día se está popularizando el uso de sensores en los cuales la ganancia o pérdida de calor se traduce en una diferencia de potencial (voltaje) que se lee en una escala en grados previamente calibrada. +DVWDHVWHSXQWRGHODUHÁH[LyQVHGHVWDFDQWUHVDVSHFWRV 1. El hecho de determinar la temperatura con el termómetro implica una forma de contacto entre éste y el sistema del cual se quiere conocer su temperatura. 2. Antes de leer en la escala del termómetro, se debe dejar el tiempo QHFHVDULRSDUDDOFDQ]DUHOHTXLOLEULRWpUPLFRDVtHOVLVWHPD\HOWHUmómetro estarán a la misma temperatura que se lee en la escala, por ejemplo 40oC.

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3. Si el sistema está más caliente, al llegar al equilibrio térmico el mercurio del termómetro habrá recibido mayor cantidad de calor y la FROXPQDVHDODUJDUiODOHFWXUDSRGUtDVHUoC. Un tema interesante de análisis, por las posibilidades de integración de áreas, son las zonas que se toman para determinar la temperatura del cuerpo humano y dentro de qué límites se considera normal. ¿Qué implica el alargamiento o encogimiento de la columna de mercurio? Como se mencionó antes, los diversos materiales, elementos o compuestos tienen en diferente grado la propiedad de variar sus dimensiones por absorción o pérdida de calor. En general, cuando absorben FDORUDXPHQWDQVXWDPDxRVHGLODWDQRH[SDQGHQDOSHUGHUFDORUGLVminuyen su tamaño, se contraen. Este comportamiento se expresa como la variación de la propiedad (longitud, área, volumen) por unidad de la propiedad (longitud, área, volumen) por grado centígrado (oC)13. Cuando el mercurio entra en contacto con una fuente de calor a través del vidrio del bulbo del termómetro, absorbe calor, se dilata (aumenta su volumen) hasta cuando alcanza el equilibrio térmico, de acuerdo con ODFDQWLGDGGHFDORUUHFLELGDSHURFRPRHVWiHQFHUUDGRHQXQWXERPX\ delgado de paredes rígidas, no tiene otra posibilidad de dilatación que a ORODUJRGHpVWHORFXDOVHUHÁHMDHQXQDXPHQWRGHODORQJLWXGGHODFRlumna. En estas condiciones, la variación en la longitud de la columna es directamente proporcional a la cantidad de calor recibida o cedida14. Con esta breve introducción, se espera haber dado una aproximación al concepto de temperatura. Se han dejado de lado aspectos no menos importantes, que podrían ser un factor de confusión. Sin embargo, pueden suscitar inquietudes como: ¿el valor del diámetro interno del tubo del WHUPyPHWURLQÁX\HHQODPHGLGD"¢TXpRWURHOHPHQWRPDWHULDORFRPpuesto puede remplazar al mercurio? ¿Un termómetro que mida desde 30oC a 600oC puede usar mercurio? ¿cómo construiría un termómetro de 100 cm de longitud? Sin usar mercurio, ¿cómo construiría un termómetro de 30oC a 650o&\ de –15oC a 100oC?

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Elementos de matemáticas y física son fundamentales para estudiar este aspecto.

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Este aspecto puede analizarse muy bien con los aportes de las matemáticas y la física.

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Si en las escalas Centígrada, Fahrenheit y Reaumur la longitud de la columna de mercurio es igual a una temperatura dada, ¿cuál termómetro tiene el mayor diámetro?

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 10. P.W. Atkins. La Segunda Ley 3UHQVD &LHQWtÀFD %DUFHORQD  p. 36.

LECTURA COMPLEMENTARIA 7

HUMEDAD RELATIVA Hoy en día los meteorólogos nos tienen acostumbrados a la expresión huPHGDGUHODWLYDDVRFLDGDDXQDH[SUHVLyQSRUFHQWXDOFXDQGR KDEODQGHODVFRQGLFLRQHVFOLPiWLFDVSHURHVWHQRHVHO~QLFRFRQWH[WR También cuando se hace referencia al aire acondicionado o conservación de alimentos perecederos, salas de exposición de obras de arte, o el Museo del Oro, que requieren una humedad relativa constante y de cierto valor, ésta se convierte en un factor importante por controlar. Si incursionamos en el campo literario, sea prosa o poesía, se encuentran REUDVTXHKDEODQGHOURFtRGHODPDxDQDGHOÀUPDPHQWRWDFKRQDGRGH nubes o de la espesa neblina que cubre los caminos y pastizales, donde HOJDQDGRSDUHFHÁRWDURGHODHVFDUFKDTXHEODQTXHDORVSUDGRVHQODV frías madrugadas. ¿Qué relación tiene todo esto con la humedad relativa? Es posible que tengamos una idea de qué es humedad, nacida de la experiencia cotidiana. Humedad la relacionamos con agua, de ahí las expresiones como la ropa está húmeda y hay que exponerla al sol para que se seque, es decir retirarle el agua. La humedad de la que hablamos es la atmosférica y más familiarmente del ambiente, pero no la vemos porque el agua está en estado gaseoso YDSRU (QHVWHFRQWH[WRVHSXHGHGHFLUTXHKXPHGDGVHUHÀHUHDOFRQtenido de agua de la atmósfera (11). Sin embargo, este contexto es algo más complejo, porque en la cuantiÀFDFLyQGHHVWDFDUDFWHUtVWLFDDSDUHFHQYDULDQWHVKXPHGDGDEVROXWD humedad relativa y otras que aparentemente no tienen relación con ella, como punto de rocío y punto de escarcha.

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3RGHPRV HQIRFDU OD SULPHUD HWDSD GH QXHVWUR DQiOLVLV HQ FODULÀFDU OD diferencia entre humedad absoluta y humedad relativa. La primera se concibe como cualquier unidad de concentración: masa de vapor de DJXDSRUXQLGDGGHYROXPHQODXQLGDGPiVXWLOL]DGDHVJP3. La humedad relativa es una relación expresada en tanto por ciento. Así, cuando es 50% indica que en las condiciones dadas, la atmósfera o el ambiente contiene la mitad de vapor de agua respecto de la máxima cantidad que puede contener. Es máxima cuando la atmósfera está saturada de vapor de agua. A manera de ejemplo podemos plantear que si la humedad relativa es 50%, contiene 2 g/m3 de vapor de agua y como máximo podría contener 4 g/m3. Cuando se analizó la presión de vapor, se mencionaron dos ejemplos de la vida diaria: uno donde se observa que las paredes de un recipiente que contiene una bebida fría se cubre de una capa de agua y otro cuando, en un día lluvioso, se opaca el interior de los vidrios de un automóvil. A esto podemos añadir el rocío, esas pequeñas gotas de agua que en la mañana observamos sobre las hojas de las plantas o sobre los pétalos GHODVÁRUHV¢'HGyQGHDSDUHFHQHVDVJRWDV"¢'HGyQGHSURYLHQHHVH manto blanco de agua sólida que en las madrugadas muy frías cubre los prados y que llamamos escarcha? En los fenómenos descritos el elemento común es el agua, ya sea en estado gaseoso, líquido o sólido. Retomemos el concepto de humedad UHODWLYDKDFLpQGRORH[WHQVLYRDVXPHGLGD/DJUiÀFDGHSUHVLyQGHYDpor y temperatura (véase Figura 21) muestra la relación entre estos dos factores, donde a cada temperatura (variable independiente) le corresponde un valor de presión de vapor (variable dependiente), que a su vez corresponde a un estado de saturación del ambiente en vapor de agua. Con esta base podemos analizar la situación a través de la presión de vapor, puesto que su valor corresponde a un estado de saturación del ambiente en vapor de agua a una temperatura determinada. En otras palabras, cuando el ambiente está saturado de vapor de agua, la huPHGDG HV GHO  HQ WDOHV FRQGLFLRQHV OD SUHVLyQ SDUFLDO GH YDSRU de agua en ese ambiente a una temperatura determinada es igual a la SUHVLyQGHYDSRUGDGDSRUODJUiÀFDDGLFKDWHPSHUDWXUD3RUHMHPSOR a 25o&ODSUHVLyQGHYDSRUGHDJXDHQXQDPELHQWHHVPPGH+JOD JUiÀFDGHSUHVLyQGHYDSRUFRQWUDWHPSHUDWXUDLQGLFDTXHDoC la presión de vapor de agua de un ambiente saturado es 23,6 mm de Hg. Así, la humedad relativa se calcula por la relación (12/23,6)100 = 50,8%. Esta

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relación puede establecerse porque la presión de vapor es directamente proporcional a la cantidad de vapor presente. Si este ambiente disminuye su temperatura a 10oC (Pv = 9,2 mm Hg), se saturará con menos cantidad de vapor de agua y el exceso comienza a separarse como agua líquida. Como la medida de la presión parcial de vapor de agua en un ambiente requiere un montaje que no la hace práctica, para efectuarla como rutina se emplean dos métodos alternativos para calcular la humedad relativa. Uno es el higrómetro, que consta de dos termómetros: uno con el bulbo cubierto con un pabilo o mecha cuyo extremo está sumergido en agua y el otro con el bulbo seco expuesto al ambiente. El termómetro humedecido registrará una disminución de la temperatura por efecto de la evaporación del agua (proceso endotérmico, calor latente de vaporización), siempre y cuando el ambiente esté en capacidad de recibir vapor de agua. Este proceso continúa hasta que el ambiente próximo DO EXOER GHO WHUPyPHWUR VH VDWXUH \ OD WHPSHUDWXUD VH HVWDELOLFH HQ estas condiciones, el termómetro indicará la temperatura a la cual se presenta saturación del ambiente y el termómetro seco indicará la temSHUDWXUDGHODPELHQWHQRVDWXUDGRFRQYDSRUGHDJXD(QODJUiÀFDGH presión de vapor contra temperatura, o en las tablas, se ubica el valor de la presión de vapor a las dos temperaturas y su relación nos dará la humedad relativa. Para obviar este paso, existen tablas donde se encuentra la correspondencia entre la humedad relativa y la diferencia de temperatura indicada por los termómetros (12). ¿Qué se observará si el ambiente está al 100% de humedad? No habrá evaporación en el termómetro húmedo y los dos indicarán la misma temperatura. Otro método es el “punto de rocío”. Consta de un recipiente de metal pulido que contiene un líquido volátil (éter etílico) y acoplados un terPyPHWUR\XQWXERSDUDEXUEXMHDUDLUHDWUDYpVGHOOtTXLGRHVWRSURYRca su evaporación (proceso endotérmico) y la consiguiente disminución GHODWHPSHUDWXUD(QXQPRPHQWRGDGRODVXSHUÀFLHGHOUHFLSLHQWHVH opaca al condensarse sobre ella agua del ambiente. La temperatura a la cual ocurre esto es el “punto de rocío”. ¿Cómo se llegó al punto de rocío? Al disminuir la temperatura del recipiente, el ambiente próximo va disminuyendo la temperatura y llegará el momento en que se satura de vapor de agua y el exceso se condensa VREUHODVXSHUÀFLHGHOUHFLSLHQWH(QHVWDIRUPDVHGLVSRQHGHODWHPperatura a la cual el ambiente se satura con vapor de agua y con otro termómetro se determina la temperatura del ambiente. En las tablas se

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ubica el valor de la presión de vapor a cada temperatura y su relación da la humedad relativa (13). Hoy en día se dispone de instrumentos que usan propiedades de materiales relacionados con la humedad para determinar la humedad relativa. Estos instrumentos tienen ya calibrada la escala donde se lee directamente el valor de la humedad relativa. Se han mostrado dos ejemplos de medida de la humedad relativa, porTXH HO REMHWLYR GH HVWDV UHÁH[LRQHV HV OOHJDU D ORV FRQFHSWRV \ DQDOLzar relaciones que permitan decir algo sobre el objeto de estudio, en este caso la humedad ambiental. Sin embargo, es conveniente llamar ODDWHQFLyQVREUHHOPDQHMRGHJUiÀFDVTXHHQHVWHFDVRHVXQRGHORV elementos para calcular la humedad relativa y es posible que haya pasado inadvertido.

Figura 21. Presión de vapor vs. temperatura.

/DÀJXUDPXHVWUDODUHODFLyQHQWUHODSUHVLyQGHYDSRUGHDJXD\OD WHPSHUDWXUDUHFRUGDQGRTXHODJUiÀFDLQGLFDODSUHVLyQGHYDSRUDXQD temperatura determinada cuando el ambiente está saturado. Supongamos que el ambiente está por debajo de la saturación, punto 1, y no se conoce la presión de vapor de agua. Al disminuir la temperatura nos movemos paralelamente al eje de la temperatura. Cuando se llega al SXQWRODJUiÀFDLQGLFDODSUHVLyQGHYDSRUHQHOSXQWRTXHHVLJXDO a la del punto 2, y que corresponde a las condiciones actuales del ambiente (25oC), es decir alrededor de 12 mm de Hg. La saturación a esta temperatura se alcanza en el punto 3 que corresponde a una presión de vapor aproximada de 24 mm de Hg. Con estos valores se puede calcular la humedad relativa: (12/24)100 = 50%.

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Aclarada la situación, podemos referirnos a la formación de las nubes, el granizo, la niebla y la escarcha, que depende de las condiciones del DPELHQWH&XDQGRHODLUHFDOLHQWHFHUFDQRDODVXSHUÀFLHWHUUHVWUHDVciende, se enfría, disminuye su capacidad de contener humedad y se satura. A partir de este punto el exceso de vapor de agua comienza a condensarse. Si las gotas que se forman son muy pequeñas, dan lugar a ODVQXEHVVLODVJRWDVVHKDFHQPiVJUDQGHVSRUVXSHVRFDHQHQIRUPD GHOOXYLD\VLHODLUHHVWiDPX\EDMDWHPSHUDWXUDSDVDQDOHVWDGRVyOLdo y descienden en forma de granizo o nieve. La niebla la observamos generalmente en las mañanas y aunque parezca extraño en tiempo de verano. ¿Qué ocurre? En las noches claras de esta pSRFDHOVXHORSODQWDV\WRGRORTXHHVWiHQODVXSHUÀFLHGHOD7LHUUD pierde calor por radiación. Al bajar la temperatura se llega a la saturaFLyQGHODDWPyVIHUDGHDKtHQDGHODQWHHOH[FHVRGHYDSRUGHDJXDH[ceso de humedad) se condensa sobre los objetos (vidrios de ventanas), KRMDV\ÁRUHVHQIRUPDGHURFtR6LODWHPSHUDWXUDHVPX\EDMDVHIRUPD la escarcha (15). Para terminar este breve análisis, podemos hacer una referencia a la relación entre humedad relativa y bienestar personal. Si la humedad relativa es uno de los factores que se tienen en cuenta para caracterizar el clima, de alguna manera nos afectará. Iniciemos con una acción que realizamos a diario: soplar el café, avena o la sopa para enfriarla. ¿Hemos intentado dar una explicación a la relación soplar-enfriar? En una ocasión, trabajando en un taller sobre conceptualización en ciencias, algunos asistentes argumentaron que al HQWUDUHQFRQWDFWRODVXSHUÀFLHGHOOtTXLGRFRQHODLUHTXHH[SXOVDPRVDO VRSODUVHSURGXFHXQÁXMRGHFDORUGHOVLVWHPDFDOLHQWHFDIpUHFLSLHQte) al frío (aire soplado) y por esta razón el líquido disminuía su temperatura. Ante esta explicación, el orientador del taller comentó que, de acuerdo con lo expuesto, la disminución de temperatura del líquido tendría un límite: cuando alcance la temperatura del “aire expulsado al soplar”, pero el hecho real es que por éste método se puede llegar a temperaturas más bajas. Habrá que buscar otra explicación coherente con el sistema objeto de análisis. Después de un tiempo de discusión se llegó a una explicación: al evaporarse el agua del café o del té, satura el aire sobre el recipiente que FRQWLHQHHOOtTXLGRDOVRSODUVHUHQXHYDHVHDLUHTXHDOQRHVWDUVDWXrado, puede recibir más vapor de agua favoreciéndose la evaporación.

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Como este proceso es endotérmico (requiere calor) y no hay una fuente externa que se lo proporcione, lo toma de sí mismo produciéndose una disminución de la temperatura. Podríamos decir que una forma efectiva para enfriar el café es renovar el aire sobre él, más que “soplar directamente”. Son variados los ejemplos que se pueden plantear para discusión en este campo: algunos modelos de automotores tienen vidrios laterales traseros pequeños que se abren horizontalmente, pero la abertura está hacia atrás. La pregunta sería ¿por qué esta disposición contribuye a que la temperatura del carro sea fresca? Si nos trasladamos al entorno próximo a cada uno de nosotros, al perder DJXDGHODVXSHUÀFLHGHODSLHOSRUHYDSRUDFLyQQRV´HQIULDPRVµ3HURVL el ambiente que nos rodea en clima cálido contiene mucha agua, es decir está cercano a la saturación (humedad relativa alta), la evaporación es muy lenta y nos sentimos incómodos, la ropa se pega a nuestro cuerpo. Si el ambiente está “seco” (baja humedad relativa), la evaporación se facilita y nos sentimos cómodos a pesar de la temperatura. Algo similar ocurre cuando a la orilla del mar la brisa suave nos hace sentir muy cómodos: se genera una renovación del aire a nuestro alrededor y eso favorece la evaporación del agua con la consiguiente pérdida de calor. Si no hay brisa se acude a los ventiladores y, a quienes no les molesta, al aire acondicionado. Lo anterior muestra la posibilidad de dar explicación a una serie de hechos que diariamente enfrentamos. Sin pretender que a toda hora los estemos recordando, en algún momento de nuestra vida nos puede ser útil, incluso para salvar vidas. ¿Sabemos qué es insolación y cómo debemos proceder con una persona que la sufre? +HPRVKHFKRXQDEUHYHUHÁH[LyQVREUHKXPHGDGUHODWLYD\XQDVHULHGH fenómenos cotidianos que tienen una explicación basada en este conFHSWRDGHPiVVHLOXVWUyXQDDSOLFDFLyQFRQFUHWDGHOPDQHMRGHJUiÀFDV DVSHFWRTXHQRVHUHIXHU]DFRQVXÀFLHQWHLQWHQVLGDGHQODHGXFDFLyQEisica y media, a pesar de su importancia en la sistematización y análisis de información no solo en ciencias, sino prácticamente en cualquier actividad humana que maneje información.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 11. Salvat. Enciclopedia Salvat de Ciencia y Tecnología. Vol. 7. Salvat, Madrid, p. 257.

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12. Babor y Lehrman. General College Chemistry. 3a ed. Thomas Crowell, Nueva York, 1956, p. 285. 13. Op. cit, p. 286. 14. R.A. Séller (Editor). Basic Tables in chemistry. McGraw-Hill Book Company, Nueva York, 1967, pp.151-152. 15. Salvat. Biblioteca Salvat El Hombre y la Tierra. Salvat Editores, 1971, pp. 44-45.

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CAPÍTULO 3 TENSIÓN SUPERFICIAL Y EL AGUA

INTRODUCCIÓN 3DUDDFHUFDUQRVDOFRQFHSWRGHWHQVLyQVXSHUÀFLDOHQIRTXHPRVQXHVWUD DWHQFLyQHQWUHVSDODEUDVDJXDVXSHUÀFLHWHQVLyQ Las dos primeras representan para todos cosas evidentes o de fácil visuaOL]DFLyQRLGHQWLÀFDFLyQEDVWDFRQREVHUYDUXQUHFLSLHQWHFRQDJXDSDUD LGHQWLÀFDUGHLQPHGLDWRODVXSHUÀFLH3HURDVRFLDUVXSHUÀFLH\WHQVLyQQR es tan inmediato. El primer paso puede ser acudir a un diccionario que, HQ VHQWLGR JHQHUDO OD GHÀQH FRPR ´HVWDGR GH XQ FXHUSR HVWLUDGR SRU acción de fuerzas que actúan sobre él” (16). El segundo paso es mirar a QXHVWURDOUHGHGRUHLGHQWLÀFDUKHFKRVFRQORVTXHSRGUtDPRVUHODFLRQDU DJXDVXSHUÀFLHWHQVLyQ 7DO YH] OR SULPHUR TXH YLHQH D QXHVWUD PHQWH es que cuando observamos un estanque o la alberca de la casa hemos QRWDGRTXHDOJXQRVLQVHFWRVPX\OLYLDQRVVHSRVDQVREUHODVXSHUÀFLHGHO DJXDVLQKXQGLUVH2WURVKHFKRVHQORVTXHQRQRVGHWHQHPRVDUHÁH[LRnar por ser tan familiar son: cuando llueve caen gotas de agua. Estas se PDQWLHQHQ VREUH XQD VXSHUÀFLH FRPR SDYLPHQWR R YLGULR FXDQGR XQD llave queda mal cerrada vemos caer gotas de agua. Al respecto, la revista Museo&Lúdica (17) presenta una descripción muy curiosa de este hecho: En un gotero podemos ver cómo se forma una gota. Esta crece OHQWDPHQWH KDVWD DGTXLULU XQ FLHUWR WDPDxR \ IRUPD HVWR QR puede suceder por simple azar, debe haber una razón para que VH SURGX]FD HQ OD IRUPD \ WDPDxR GHÀQLGR ¢3RU TXp OD JRWD no cae? Tiene peso y está lista para caer pero no cae sino que permanece adherida hasta alcanzar un cierto tamaño, entonces se desprende súbitamente, como si no dispusiera de fuerza suÀFLHQWHSDUDVRSRUWDUPD\RUSHVR/RVGLEXMRVTXHUHSUHVHQWDQ cómo se forma una gota, sugieren la idea de que el agua se encuentra suspendida en una bolsa elástica, que se rompe o desgarra cuando el peso es demasiado grande para ella poder aguantarlo.

Volviendo a nuestro entorno hemos visto a los niños en los parques juJDQGR FRQ ´SRPSDV GH MDEyQµ QR ´SRPSDV GH DJXDµ SRGHPRV GHFLU que el saber generado por la experiencia nos dice que solo con agua no

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se pueden hacer pompas. Algunas personas habrán tenido la oportunidad GHREVHUYDUTXHODVXSHUÀFLHGHODJXDGHQWURGHXQWXERGHOJDGRQRHV plana, pues tiene unas curvatura que llamamos menisco.

¿CÓMO PODRÍAMOS EXPLICAR ESTOS HECHOS? Aún hay más situaciones que podemos relacionar con la tensión superÀFLDO 'HVGH KDFH PXFKRV DxRV ORV MDERQHV \ OXHJR ORV GHWHUJHQWHV han producido la disminución en el valor de esta propiedad del agua. Exclamaciones como “nuevamente se cortó el jabón” eran usuales hace ya bastantes años, cuando durante el lavado de ropa el jabón no hacía espuma y sólo después de adicionar bastante jabón, se veía la preciada espuma. De la lectura de este párrafo surge otro gran número de inquietudes. ¿Qué es un jabón y un detergente? ¿Por qué es necesario el jabón para lavar? ¿Qué es la espuma de un jabón? ¿Qué pasaba cuando el jabón se cortaba?

DEMOSTRACIÓN Antes de intentar dar explicaciones a estos hechos, veamos en qué consiste la demostración que nos va a permitir acercarnos a esa propiedad: WHQVLyQVXSHUÀFLDO(VSHUWLQHQWHDFODUDUTXHQRHVXQDSURSLHGDGH[FOXsiva del agua, sino de todos los líquidos.

Figura 22

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/DÀJXUD$UHSUHVHQWDXQUHFLSLHQWHFRQDJXDGRQGHVHLGHQWLÀFDOD VXSHUÀFLHKRUL]RQWDO\XQREMHWRÁRWDQGR(VWHVHKDFRORFDGRFXLGDGRVDPHQWHVREUHODVXSHUÀFLHGHODJXD6LODRSHUDFLyQVHKDKHFKRFRQHO GHELGRFXLGDGRHOREMHWRÁRWDUiFRPRVHPXHVWUDHQODÀJXUD/XHJR alejada del objeto, por ejemplo una aguja, se adiciona una gota de agua con jabón o una gota de detergente. Inmediatamente se aprecian dos hechos: un movimiento de la aguja alejándose de la zona donde se adicionó el jabón o detergente y el hundimiento de ésta al fondo del UHFLSLHQWHFRPRORPXHVWUDODÀJXUD%'HHVWDVHQFLOODH[SHULHQFLD surgen dos interrogantes: ¿Qué produce el movimiento de la aguja al adicionar el jabón o detergente? ¿Cuál es la causa de que la aguja se hunda al adicionar el jabón o detergente? Con base en la experiencia se podría decir que en el estado inicial, algo VLWXDGRHQODVXSHUÀFLHGHODJXDLPSLGHTXHODDJXMDVHKXQGD\TXHDO adicionar el jabón o detergente, eso que antes se oponía al hundimiento GHODDJXMDGHVDSDUHFLyRFDPELyGHPRGRTXH\DQRHVVXÀFLHQWHSDUD evitar que la aguja se hunda. Con base en esta experiencia y teniendo en cuenta el modelo de estructura de la materia que hemos usado (corpuscular), es posible construir una primera aproximación a la descripción de la propiedad del agua, que KHPRVOODPDGRWHQVLyQVXSHUÀFLDO Para comenzar podría plantearse que la fuerza de gravedad que actúa sobre la aguja y que genera su peso no es suÀFLHQWH SDUD SDVDU HQWUH ODV XQLGDGHV constitutivas del agua, lo cual implica que entre estas existen fuerzas de inteUDFFLyQHVSHFtÀFDPHQWHGHDWUDFFLyQ Es necesario acudir a este modelo para estructurar una explicación del comportamiento observado. (Q OD ÀJXUD  ORV FtUFXORV QHJURV UHpresentan moléculas de agua que se encuentran una en el seno del líquido y RWUDIRUPDGRSDUWHGHODVXSHUÀFLH

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Figura 23

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¿Cuál es la diferencia en cuanto interacciones con otras moléculas de agua? La que se encuentra en el interior está sometida a fuerzas de atracción en WRGDVGLUHFFLRQHVSXHVHVWiURGHDGDGHRWUDVPROpFXODVGHDJXDODTXH VHHQFXHQWUDHQODVXSHUÀFLHQR,QWHUDFW~DFRQODVYHFLQDVGHODVXSHUÀcie generando lo que podríamos describir como una malla, algo elástica, TXHVHUHSUHVHQWDHQXQDYLVWDGHVGHDUULEDFRPRVHPXHVWUDHQODÀJXUD /DYLVWDHVSHUSHQGLFXODUDODVXSHUÀFLHGHODJXD\KDFLDHOREVHUYDGRU no hay moléculas de agua. Se muestran las interacciones de una molécula de agua con sus vecinas, las que a su vez interactúan de igual forma con sus vecinas, y así sucesivamente. Esta malla es la que se opone a que la aguja se hunda y podemos decir que la fuerza necesaria para romper esa PDOOD\DWUDYHVDUODVHDFHUFDDORTXHKHPRVOODPDGRWHQVLyQVXSHUÀFLDO Retomando la demostración, podríamos dar una primera explicación a lo observado: el peso de la aguja (fuerza hacia DEDMR  QR HV VXÀFLHQWH SDUD YHQFHU ODV fuerzas de atracción entre las moléculas que conforman la red y la fuerza resultante se orienta verticalmente hacia DUULEDSRUWDQWRODDJXMDÁRWD(QFDVR contrario, cuando la fuerza resultante se orienta verticalmente hacia abajo la red cede y la aguja se hunde. Figura 24

Aquí es oportuno hacer un paréntesis. Un alumno inquieto podría preJXQWDU¢VLODDJXMDVHVXHOWDGHVGHFLHUWDDOWXUDVREUHODVXSHUÀFLHGHO agua se hundiría? ¿Si intentamos colocar la aguja perpendicular a la suSHUÀFLHGHODJXDVHKXQGH"/DItVLFDQRVGDORVHOHPHQWRVSDUDDQDOL]DU cada una de las situaciones y construir la explicación correspondiente. Volviendo a la demostración, al adicionar el jabón o detergente la aguja se hunde, aunque ni su masa ni su peso han variado. Se concluye que las fuerzas que mantienen la estabilidad de la red de moléculas de agua ha disminuido a causa del jabón o detergente adicionado. Hasta este punto se han dado explicaciones cualitativas con base en un modelo de estructura de la materia, pero no se ha dado ninguna explicación al segundo hecho observado: el movimiento brusco de la aguja al adicionar la gota de jabón o detergente, alejándose de la zona donde se hizo la adición.

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Si la aguja se desplaza, lo hace por acción de una fuerza resultante en la dirección del desplazamiento. ¿Pero qué origina esta fuerza? Con el objetivo de iniciar una discusión, se podrían plantear dos posibilidades: la primera es que en alguna forma la red de moléculas de agua que soporta la aguja es “halada” y la segunda es que esa red es “empujada”. Para desentrañar estas inquietudes es necesario ampliar nuestro conocimiento sobre lo que es un jabón y el tipo de interacción que establece con las moléculas de agua que conforman la red. ¿Qué es un jabón? Antes de entrar en materia es interesante iniciar esta parte con un relato que nos presenta I.C. Joslin (18). Hay una historia que el jabón fue descubierto accidentalmente por unos salvajes. Ellos estaban acostumbrados a friccionarse la piel con aceites, de tal forma que siempre estaban grasosos. Una noche, mientras dormían, varios de ellos rodaron sobre las cenizas de leña que quedaron cuando apagaron el fuego en su campamento. Cuando despertaron a la mañana siguiente, fueron a una corriente de agua cercana para lavarse de las cenizas que tenían pegadas al cuerpo. Pero cuando se frotaron la piel, se sorprendieron al encontrar una espuma jabonosa.

El autor agrega: esta historia puede no ser cierta, pero ilustra que el jabón puede obtenerse a partir de un aceite y una sustancia que se encuentra en las cenizas de la madera.

Hace ya bastantes años era común encontrar en las plazas de mercado y tiendas el llamado “jabón de tierra”, de color oscuro, que básicamente se obtenía por mezcla de grasa animal o cebo y cenizas (producto de la calcinación) de materiales de origen vegetal. Con el paso del tiempo se fue conociendo más acerca del proceso y se desarrolló una tecnología para la obtención de jabones. Hoy en día se considera jabón a la sal alcalina de ácidos monocarboxílicos de cadena lineal entre 12 y 18 átomos de carbono. Se prepara por la reacción de grasas y aceites naturales que contienen triglicéridos (ésteres del glicerol con ácidos grasos) con hidróxidos alcalinos. Los ácidos grasos presentes en los aceites y grasas tienen cadenas que van desde 12 hasta 18 átomos de carbono, pueden ser saturados o insaturados. El proceso de reacción con el hidróxido de VRGLRVHFRQRFHFRPRVDSRQLÀFDFLyQ\VHUHSUHVHQWDSRUODHFXDFLyQ

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donde R representa la cadena carbonada entre 11 y 17 átomos de carbono. Centrándonos sobre la sal que llamamos jabón, podemos escribir la fórPXODTXHUHSUHVHQWDHQGHWDOOHODFDGHQDFDUERQDGDSRUHMHPSORODVDO derivada del ácido mirístico que tiene 14 átomos de carbono.

Este tipo de compuestos posee simultáneamente dos características: una cadena carbonada muy afín con sustancias de tipo orgánico que puede llamarse apolar (sin carga), y un carácter altamente polar como sal de un metal alcalino (sodio). En otras palabras, una parte orgánica muy afín con compuestos no polares y una parte iónica que se asocia con el agua. Las moléculas del compuesto con características de jabón se pueden representar de diversas formas, distinguiendo las dos partes mencionadas. Por ejemplo: (Figura 25).

Figura 25

Con esta forma de representación es posible plantear lo que ocurriría al adicionar jabón al agua. Ésta es un compuesto polar que se asocia muy fácilmente con el extremo polar de la molécula de jabón, como se PXHVWUDHQODÀJXUDGRQGHHOFtUFXORRVFXURUHSUHVHQWDODPROpFXOD de agua. Igual situación se presentaría en otras moléculas de la red

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VXSHUÀFLDO GHO DJXD (O UHVXOWDGR HV TXH las moléculas de agua se aíslan unas de otras por acción del jabón y las fuerzas de atracción disminuyen hasta el punto que son superadas por el peso de la aguja y ésta se hunde.

Figura 26

Describiendo de otra forma el proceso, podemos plantear que el jabón disminuyó ODWHQVLyQVXSHUÀFLDOKDFLHQGRPiVIiFLO la penetración de la red de moléculas de agua. Un compuesto con estas características se conoce como agente tensoactivo.

Con base en este modelo, se ha podido dar una explicación a uno de los hechos observados en la demostración: el hundimiento de la aguja al adicionar la solución de jabón o detergente. Falta aun referirnos al origen de la fuerza que hace mover la aguja alejándola de la zona donde se adicionó el jabón o detergente. Al respecto Jasien y Banett (19) sugieren un análisis de este hecho y de paso una muestra de la forma de trabajo en ciencias. Recordemos las dos hipótesis planteadas sobre la situación observada. Una, que las moléculas de agua de la red que sostiene la aguja es halada, alejándoOD GH OD ]RQD GH DGLFLyQ GHO MDEyQ OD RWUD TXH HVD UHG HV HPSXMDGD alejándola de la zona de adición de la solución de jabón. Con base en la experiencia realizada, no se dispone de elementos para optar por ninguna de las dos posibles hipótesis. Los autores proponen una variante en la demostración, que consiste en disponer de una película muy delJDGD GH DJXD VREUH SDSHO GH DOXPLQLR OXHJR FXLGDGRVDPHQWH KDFLD el centro de la película de agua, se adicionan una o dos gotas de un compuesto miscible con el agua (etanol, metanol). Inmediatamente se REVHUYDTXHODVXSHUÀFLHGHODJXDVHVHSDUDGHOD]RQDGHDGLFLyQGHO etanol, dejándola prácticamente seca. Según los autores citados, esta experiencia permite inclinarse por la primera de las hipótesis, es decir, que las moléculas de agua ubicadas alrededor de la zona de adición del alcohol halan las moléculas de agua de esta zona. Si las moléculas de la red fueran empujadas no se obtendría esa zona prácticamente seca. Quedan todavía algunos interrogantes iniciales sin analizar. ¿Por qué se usa jabón al lavar? La experiencia de la vida diaria muestra que HO DJXD VREUH XQD VXSHUÀFLH ´JUDVRVDµ QR IRUPD XQD SHOtFXOD FRQWLQXD

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VLQR TXH VH VHSDUD HQ JRWDV GH GLYHUVR WDPDxR HQ RWUDV SDODEUDV VH GLFHTXHHQHVWDVFRQGLFLRQHVHODJXDQRPRMDODVXSHUÀFLH3HURVLHO DJXDFRQWLHQHMDEyQVHUHSDUWHSRUODVXSHUÀFLHJUDVRVDURPSHODSHOtFXODGHJUDVD\SXHGHUHWLUDUVHGHODVXSHUÀFLHSRUTXHHOMDEyQWLHQH XQDDFFLyQ´HPXOVLÀFDQWHµ ¢(Q TXp FRQVLVWH OD DFFLyQ HPXOVLÀFDQWH" 1XHYDPHQWH OD H[SHULHQFLD diaria muestra que al agitar vigorosamente agua con aceite de oliva, se obtiene inicialmente un sistema que por su apariencia llamamos “lechoso” (por su aspecto blanco), debido a que el aceite se disgrega en un gran número de pequeñas gotas. Pero al dejar en reposo, en poco WLHPSRODVJRWDVGHDFHLWHVHMXQWDQ\ÀQDOPHQWHVHREWLHQHQGRVFDSDV plenamente diferenciadas: una de aceite y otra de agua. Si la agitación se hace con agua a la que se ha adicionado jabón, las gotas de aceite que se forman son más pequeñas y el aspecto del sistema es de mayor ´EODQFXUDµTXHHQHOFDVRDQWHULRUDGHPiVDOGHMDUHQUHSRVRQRVH VHSDUDQODVGRVFDSDV6HGLFHTXHHODFHLWHHVWi´HPXOVLÀFDGRµSRUHVR ODJUDVDGHODVXSHUÀFLH\HOSROYRTXHODDFRPSDxDSXHGHQUHWLUDUVHFRQ agua y jabón. ¢4Xp KDFH SRVLEOH OD HPXOVLÀFDFLyQ" Nuevamente acudimos a la ayuda de las representaciones para construir una exSOLFDFLyQ(QODÀJXUDHOFtUFXORFHQWUDO representa la gota de aceite y los círculos negros el agua. Se muestra cómo las moléculas de jabón sirven de puente entre ODVÀQDVJRWDVGHDFHLWH\HODJXDLPSLdiendo que las gotas de aceite se unan entre sí para formar unas más grandes.

Figura 27

Como se muestra en la representación, el extremo no polar u orgánico GHODPROpFXODGHMDEyQFXDGUDGRV VHDVRFLDFRQODJRWDGHDFHLWHHO extremo iónico, con las moléculas de agua del contorno. Nos queda la inquietud de la espuma que hace el jabón. Es normal que cuanto más espuma se forme, disfrutemos más del baño, pero hay casos (hoy menos frecuentes en las ciudades) en los que el jabón no hace espuma. En este caso decimos que se “cortó el jabón”. ¢4XpVLJQLÀFDHVWDH[SUHVLyQ"$xRVDWUiVODVDJXDVTXHVHXVDEDQSDUD el lavado no provenían del acueducto. Se encontraban zonas donde era

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necesario usar más jabón que en otras porque se cortaba, no hacía espuma. Cuando nos lavamos las manos o lavamos la ropa, cuanto más jabón VHXVHPiVHVSXPDVHSURGXFHHOH[FHVRHVODVDOVyGLFDRSRWiVLFDGH un ácido graso (oleato, palmitato), es decir, que existe un exceso de compuesto tensoactivo. ¢4XpHVODHVSXPD"/DVHQFLFORSHGLDVODGHÀQHQFRPR´FRQMXQWRFRQVtituido por burbujas de gas (en nuestro caso aire) separadas entre sí SRUSHOtFXODVGHOtTXLGRµHQQXHVWURFDVRDJXD SHURQROtTXLGRSXUR porque éste no forma películas delgadas permanentes. Cuando el líquido WLHQH XQ DJHQWH TXH GLVPLQX\H OD WHQVLyQ VXSHUÀFLDO IRUPD SHOtFXODV delgadas, elásticas que encierran el aire. En nuestro caso, el jabón hace posible la formación de la espuma. 8QSURFHVRVLPLODURFXUUHFXDQGRVHIRUPDQODV´SRPSDVGHMDEyQµHQ este caso, al sumergir el tubito o anillo en el agua con jabón, se obtiene una película de líquido elástica, debido a que las fuerzas de atracción entre las moléculas de agua se ve disminuida por acción del jabón. Así, al soplar por el tubito se forma la pompa. El hecho de no formarse espuma indica que el jabón perdió su acción tensoactiva. Quienes profundizaron en este campo encontraron que las aguas en las que esto ocurre contienen iones calcio (Ca2+) y magnesio (Mg2+) que, con el anión del ácido orgánico del jabón, forman sales insolubles que se separan, como el oleato de calcio, y retiran del sistema el jabón. Finalmente, es preciso decir algo muy breve sobre los detergentes. Básicamente tienen la misma estructura de los jabones, diferenciándose en ODSDUWHRUJiQLFDTXH\DQRVRQFDGHQDVOLQHDOHVVLQRUDPLÀFDGDVRFRQ anillos aromáticos. La parte iónica ya no es el clásico radical orgánico ácido –COO-, sino grupos aniónicos con azufre.

Con este desarrollo hemos podido construir explicaciones sobre el comportamiento del agua, tomando como eje una de sus propiedades, la WHQVLyQVXSHUÀFLDO4XHGDQRWUDVLQTXLHWXGHVFRPRHOFRPSRUWDPLHQWR

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del agua en tubos delgados, que mencionamos al comienzo como menisco. Este tema se amplía en la lectura complementaria 8. Queda por analizar el problema de la contaminación del agua por residuos de detergentes, donde el eje central es la biodegradación de compuestos y sustancias presentes en los cuerpos de agua (ríos, lagos, arroyos, pozos, el mar) que reciben altas cargas de estos compuestos. Igualmente es posible ampliar esta temática con lecturas o tareas como: - ¿Qué es un detergente biodegradable? - Cantidad de detergentes que se usan en las casas.  ¢&yPRLQÁX\HODDFXPXODFLyQGHUHVLGXRVGHGHWHUJHQWH HQODYLGD animal y vegetal?

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 16. Diccionario Enciclopédico Labor. Vol. 8. Ed. Labor, Barcelona, p. 140. 17. MuseoLúdica. Museo de la Ciencia y el Juego, Universidad Nacional de Colombia, vol. 1, I semestre/1998, p. 61 18. I.C. Joslin. Water in the World. Mac Millan, Londres, 1962, p. 137. 19. J. Paul, y Gleen, B. J. Chem. Educ. 1993, 70, 1993-4.

LECTURA COMPLEMENTARIA 8

TENSIÓN SUPERFICIAL Y SU MEDIDA En el estudio de la experiencia realizada se hizo un análisis cualitativo GHORULJHQGHODWHQVLyQVXSHUÀFLDOGRQGHHVWiQLPSOLFDGDVIXHU]DVGH DWUDFFLyQ HQWUH ODV XQLGDGHV TXH FRQVWLWX\HQ HO OtTXLGR HQ HVWH FDVR moléculas de agua. Antes de abordar el problema de la medida de esta propiedad, es conveQLHQWHUHÁH[LRQDUXQSRFRPiVVREUHODVLQWHUDFFLRQHVHQWUHODVPROpFXlas que constituyen el líquido y las que se presentan entre éstas y otras

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GHPDWHULDOHVGLIHUHQWHVFRPRVXSHUÀFLHVGHYLGULRPHWDOFHUiPLFD Tomemos como analogía un equipo de fútbol cuando se va a cobrar un tiro de esquina en su contra y necesita mantener la ventaja en el marcador. En ese momento los integrantes del equipo están muy cohesionados e interactúan activamente con los jugadores del equipo contrario. Algo VLPLODU SRGHPRV SODQWHDU SDUD ODV XQLGDGHV TXH IRUPDQ HO OtTXLGR VL existe alta interacción entre ellas, en ese líquido hay una gran fuerza de FRKHVLyQ. Cambiemos de ejemplo. Hoy en día son comunes las propagandas con EDVHHQFDOFRPDQtDV\DXWRDGKHVLYRVTXHVHÀMDQVREUHGLYHUVDVVXSHUÀFLHV 3DUD TXLWDUODV VH UHTXLHUH HQ DOJXQRV FDVRV DUGXR WUDEDMR /D expresión común es: “está muy pegada” o, en una forma más elegante, ´HVWi PX\ DGKHULGDµ 3DUD VHSDUDUOD GH OD VXSHUÀFLH KD\ TXH HMHUFHU XQDIXHU]DHVODIXHU]DGHDGKHVLyQ. En el análisis de la demostración se trabajó en un modelo de estructura de la materia, en el que se ilustró que las fuerzas que actuaban entre las moléculas de agua (fuerza de cohesión) eran diferentes cuando se HQFRQWUDEDQ HQ HO VHQR GHO OtTXLGR R HQ OD VXSHUÀFLH /DV IXHU]DV GH atracción que actúan desde el interior del líquido tienden a halar las PROpFXODVGHODVXSHUÀFLH3RUWDOUD]yQHQXQDJRWDGHDJXDODVPROpFXODVGHODVXSHUÀFLHWLHQGHQDDFHUFDUVHDOFHQWURGHODJRWDDMXQWDUVHORPiVSRVLEOHHQWRQFHVODJRWDWRPDODIRUPDHVIpULFDHQTXH HOiUHDVXSHUÀFLDOHVPiVSHTXHxD'HWRGDVPDQHUDVVLJXHQDFWXDQGR IXHU]DVWDQJHQFLDOHVDODVXSHUÀFLHRULJLQDGDVHQODVPROpFXODVGHDJXD vecinas. Con estos nuevos elementos, podemos analizar un poco más en detalle ODVLWXDFLyQGHODDJXMDÁRWDQGRHQODVXSHUÀFLHGHODJXD9DPRVDUHSUHVHQWDUODVLWXDFLyQFRPRVHPXHVWUDHQODÀJXUDGRQGHHOFtUFXOR representa la aguja vista en la dirección del eje que va a lo largo de ella. $OÁRWDUVREUHODVXSHUÀFLHGHODJXDKDFHTXHODVPROpFXODVGHODVXSHUÀFLH WLHQGDQ D VHSDUDUVH IRUPDQGR FRPR una hamaca, donde reposa la aguja. Esta hamaca está prácticamente colgada de los lados y la parte superior de la red está ejerciendo una fuerza hacia arriba con un ángulo DUHVSHFWRGHODYHUWLFDOSRUWDQWR la componente de esta fuerza que se opone a la fuerza Fg (peso de la aguja) es Ft. &RQHVWHDQiOLVLVVHLGHQWLÀFDQFODUDPHQWH Figura 28

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las fuerzas que actúan en el sistema. Así, cuando Fg es menor que Ft, la DJXMDÁRWDFXDQGR)JHVPD\RUTXH)WODDJXMDVHKXQGH Aunque la visión es parcial, sí hay un acercamiento y podemos dar una explicación un tanto más elaborada sobre lo observado en la demostración. $QWHV GH FHQWUDUQRV HQ OD PHGLGD GH OD WHQVLyQ VXSHUÀFLDO HV FRQYHQLHQWHUHSDVDUDOJXQRVDVSHFWRV/DWHQVLyQVXSHUÀFLDOHVXQDSURSLHGDG ÀVLFRTXtPLFDTXHGDDPSOLDLQIRUPDFLyQVREUHHOWLSRGHLQWHUDFFLRQHV físicas y químicas que tienen lugar en sistemas líquidos. 6HGHÀQHFRPRODIXHU]DSRUXQLGDGGHORQJLWXGWDQJHQFLDODODVXSHUÀFLHTXHHMHUFHQODVPROpFXODVGHOVHQRGHXQOtTXLGRVREUHDTXHOODV TXHVHORFDOL]DQHQODVXSHUÀFLHRLQWHUIDFH7DPELpQVHGHÀQHFRPRHO WUDEDMRSRUXQLGDGGHiUHD/DVGRVGHÀQLFLRQHVVRQHTXLYDOHQWHV\VXV unidades son: din/cm o erg/cm2, respectivamente. Dupré Frame, investigador francés del siglo XVIII, propuso el experimenWRTXHOOHYDVXQRPEUH&RQVLVWHHQREWHQHUXQDÀQDFDSDGHOtTXLGRHQtre dos alambres paralelos sostenidos por un tercer alambre de longitud (l) (lado movible) perpendicular a ellos, denominado alambre de Frame, que cumple la función de pistón. fuerza debida a la tensión B

lado movible

L A

E

F

x

C

D

fuerza externa

L

G

película de líquido Figura 29

/DÀJXUDUHSUHVHQWDXQDSHOtFXODPX\ÀQDGHOtTXLGRHQXQPDUFRUtgido ABCD. La longitud del lado AD es L (desplazable). Si se desea mover este lado un espacio (x) hasta EG sin que la película se rompa, es nece-

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sario ejercer una fuerza que supere las fuerzas de atracción entre las PROpFXODVHVGHFLUODWHQVLyQVXSHUÀFLDO&XDQWRPD\RUVHD/PD\RU será la fuerza que debe ejercerse. Así, la fuerza requerida para la forPDFLyQGHXQDQXHYDFDSDVXSHUÀFLDOHVSURSRUFLRQDODODORQJLWXG/  la constante de proporcionalidad entre estas dos variables se conoce FRPRWHQVLyQVXSHUÀFLDO(VSRVLEOHSODQWHDUXQDXQLGDGFRPRODIXHU]D que debe hacerse por unidad de longitud del lado de la película que se desplaza. Se expresaría en dinas-cm y se designa por la letra J. Como la SHOtFXODWLHQHGRVVXSHUÀFLHV15ODIXHU]DVHHMHUFHUiVREUHORVGRVODGRV por tanto F = 2JL

y J = F/L

La fuerza F aplicada para desplazar el lado AD está contrarrestada por la WHQVLyQVXSHUÀFLDOTXHDFW~DHQODSHOtFXOD(QFRQVHFXHQFLDHOWUDEDMR ZQHFHVDULRSDUDH[SDQGLUODVVXSHUÀFLHVHQXQDGLVWDQFLD[ SRUPRYLmiento del alambre de Frame es: W = F x = 2JLx

Como 2L.x es el área generada por el desplazamiento, la designamos por 'A, entonces: W = J'A

y J= W/'A

De acuerdo con lo anterior J es el trabajo en ergios16 necesario para generar una película de líquido con un área de 1 cm2. En conclusión, podemos decir que si deseamos aumentar el área de una película muy delgada de líquido, es decir “estirarla”, debemos realizar un trabajo17 y, por consiguiente, ejercer una fuerza para superar la fuerza de atracción entre las moléculas del líquido, es decir la tensión VXSHUÀFLDO 9ROYLHQGRVREUHODPHGLGDGHODWHQVLyQVXSHUÀFLDODFXGLUHPRVDOOODmado fenómeno de capilaridad, que se observa al introducir perpendi15

&RPRODSHOtFXODQRHVPRQRPROHFXODUKD\TXHWHQHUHQFXHQWDODVXSHUÀFLHGHORV dos lados de la película de líquido.

16

Ergio es el trabajo realizado cuando se ejerce una fuerza de una Dina a lo largo de un centímetro.

17

La física dice que se hace un trabajo W cuando una fuerza actúa en una distancia GDGDVXH[SUHVLyQPDWHPiWLFDHV: )'

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LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

FXODUPHQWHDODVXSHUÀFLHGHODJXDXQWXERPX\GHOJDGRFDSLODU (O agua asciende dentro del tubo hasta cierta altura y, como lo habíamos PHQFLRQDGRHQODGHPRVWUDFLyQODVXSHUÀFLHGHOOtTXLGRIRUPDXQPHnisco.

¿QUÉ EXPLICACIÓN PODEMOS DAR? Las fuerzas de DGKHVLyQHQWUHODVPROpFXODVGHODJXD\ODVXSHUÀFLHGHO YLGULRWLHQGHQDTXHHOOtTXLGRVHGLVSHUVHHQXQDÀQDSHOtFXODSRUODV SDUHGHVLQWHULRUHVGHOWXERHQWDOHVFRQGLFLRQHVVHGLFHTXHHOOtTXLGR “moja” el vidrio18. Como el líquido tiende a disminuir al máximo su suSHUÀFLHSRUODWHQVLyQVXSHUÀFLDODVFLHQGHGHQWURGHOFDSLODUDXQTXH QRLQGHÀQLGDPHQWH6HGHWHQGUiFXDQGRODIXHU]DGHWHQVLyQVXSHUÀFLDO que actúa hacia arriba sea igual a la que ejerce la columna de líquido por acción de la gravedad que actúa hacia abajo. (QODÀJXUDVHUHSUHVHQWDHOHVWDGRÀQDO(O contacto superior con la pared interna del tubo es una circunferencia igual a 2SU y la fuerza GHELGD D OD WHQVLyQ VXSHUÀFLDO )  DFW~D IRUmando un ángulo D con la vertical, paralela a OD SDUHG GHO WXER SRU WDQWR OD IXHU]D )Y VH opone al peso de la columna de líquido Fg. Fv = 2 S r Jcos D Figura 30

donde r = radio del capilar

J IXHU]DGHELGDDODWHQVLyQVXSHUÀFLDOSRUFHQWtPHWUROLQHDOFLUcunferencia de contacto). Se alcanza el equilibrio cuando la fuerza Fg, que actúa hacia abajo por la acción de la gravedad sobre la columna de líquido, se hace igual a la JHQHUDGDSRUODWHQVLyQVXSHUÀFLDO Fg = S r2 h g U donde h = altura de la columna de líquido respecto del nivel exterior del líquido. 18

Si el líquido no moja el vidrio (por ejemplo el mercurio), dentro del tubo el nivel HVWDUiSRUGHEDMRGHOQLYHOH[WHULRU\IRUPDUiXQDVXSHUÀFLHFRQYH[D

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g = fuerza de gravedad. U = densidad del líquido. En el equilibrio, 2 S r J = S r2 h U J de donde, J = (1/2) h U g r Para llegar a esta expresión se supone un ángulo D = 0. El volumen del líquido que llenaría el menisco es muy pequeño comparado con el de la columna de líquido (20). Con este desarrollo se quiere mostrar que el uso de representaciones que se acercan en alguna medida a un estado real son muy útiles para construir una descripción de la observación realizada (el agua que sube por el interior del capilar), con base en las características del modelo utilizado que incluye unos parámetros del sistema real, como radio del tubo, densidad del líquido, altura de la columna de líquido y fuerza de JUDYHGDG'HWRGDVPDQHUDVSDUDOOHJDUDODH[SUHVLyQÀQDOH[SUHVLyQ simbólica) que permita el cálculo de la variable desconocida (tensión VXSHUÀFLDO HVQHFHVDULRKDFHUDSUR[LPDFLRQHVFRPRODVSODQWHDGDVHQ el desarrollo presentado. (QHOFXDGURVLJXLHQWHVHSUHVHQWDQYDORUHVGHODWHQVLyQVXSHUÀFLDOSDUD algunos líquidos a una temperatura de 20oC, expresada en din/cm (21). 6XVWDQFLD Agua Glicerina Benceno

7HQVLyQVXSHUÀFLDO 72,8 47,7 28,9

6XVWDQFLD metanol etanol Dietil eter

7HQVLyQVXSHUÀFLDO 22,6 22,3 17,0

APLICACIONES La información que proporciona esta propiedad se aplica en diversos procesos y situaciones. Por ejemplo, algunos complejos moleculares y algunos medicamentos requieren un medio que tenga una tensión superÀFLDODGHFXDGDSDUDHYLWDUODGHVFRPSRVLFLyQ

REFERENCIA BIBLIOGRÁFICAS 20. H.B. Crockford y S.B. Knight. Fundamentals of Physical Chemistry. 2a ed. Wiley, Nueva York, 1966, pp. 43-44. 21. Op. cit., p. 48

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LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

LECTURA COMPLEMENTARIA 9

ÁCIDOS ORGÁNICOS Los ácidos orgánicos más familiares para el común de las personas son el acético, componente principal del vinagre, y el acetilsalicílico, la famosa aspirina. Pero, ¿qué es un ácido orgánico? En primer lugar recordemos que se consideran compuestos orgánicos los que básicamente tienen una cadena carbonada que puede ser saturada RLQVDWXUDGDUDPLÀFDGDROLQHDO$SDUHFHQDTXtWpUPLQRVTXHHVQHFHVDULR LGHQWLÀFDU (Q SULPHU OXJDU VH FRQVLGHUD FDGHQD FDUERQDGD XQD estructura conformada por la unión de dos o más átomos de carbono que satisfacen su capacidad de combinación con hidrógeno formando cadenas lineales, o con otros átomos de carbono formando cadenas raPLÀFDGDV(VWRVFRPSXHVWRVVHQRPEUDQGHDFXHUGRFRQUHJODVGHQRmenclatura19.

Las cadenas carbonadas pueden ser no saturadas (insaturadas), caracterizadas por la presencia de uniones dobles o triples en su estructura.

Un ácido orgánico se caracteriza por contener la función: Por ejemplo:

19

Para nombrar los compuestos en química se siguen las reglas de la IUPAC. Se dan casos en los cuales el compuesto tiene además un “nombre propio”: ácido etanoico, llamaGRFRP~QPHQWHiFLGRDFpWLFRiFLGRKH[DGHFDQRLFRQRPEUDGRFRP~QPHQWHFRPR ácido palmítico.

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Por su conformación, la función ácido siempre se ubicará en los extremos de la cadena carbonada, a diferencia de las funciones alcohol y amina, que pueden ubicarse en carbonos intermedios de la cadena. Podemos decir que un ácido graso se caracteriza por cadenas carbonadas largas, generalmente entre 12 y 18 átomos de carbono. Los más comunes son (22): 6DWXUDGRV ÉFLGRiWRPRVGH& Mirístico/14 CH3-(CH2)12-COOH Palmítico/16 CH3-(CH2)14-COOH Esteárico/18 CH3-(CH2)16-COOH Araquídico/20 CH3-(CH2)18-COOH

1RPEUH

7IoC

tetradecanoico

52

hexadecanoico

63

octadecanoico

70

eicosanoico

75

1RVDWXUDGRV Oleico/18 CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOH

9-octadecaenoico

Linoleico/18 CH3-(CH2)4-CH=CH-CH2-CH=CH-(CH2)7-COOH 9,12-octadecadienoico

13,4

-9

Linolénico/18 CH3-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-(CH2)7-COOH 9,12,15-octadecatrienoico -17 Araquidónico/20 CH3-(CH2)4-(CH=CH-CH2)4-(CH2)2-COOH 5,8,11,14-eicosatetraenoico – 49,5 EPA/20 CH3-CH2-(CH=CH-CH2)5-(CH2)2-COOH 5,8,11,14,17-eicosapentaenoico - 54

Estos ácidos se encuentran en grasas animales y aceites vegetales, de ahí la importancia de estos productos en la vida de las comunidades.

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LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

En el cuadro siguiente se muestra la composición de algunas grasas y aceites. Composición de algunas grasas y aceites (%). (Valores promedio) (23). Saturados Tf oC

No saturados

Mirístico

Palmítico

Esteárico

Araquídico

Oleico Linoleico

Linolénico

11 1 6 3

29 28 27 24

9 12 14 8

2 -------------------

27 48 50 47

4 6 3 10

-------------------------

1 1 -------------------------

10 23 6 7 8 10

3 1 2 2 3 2

------1 1 ------2 -------

50 23 19 84 56 29

34 48 24 5 26 51

------------47 ------------6

Grasas animales Mantequilla Manteca Sebo Humana

32 30 15

Aceites vegetales Maíz Algodón Linaza Oliva Maní Soya

- 20 -1 - 24 -6 3 - 16

Algunos de estos ácidos se consideran esenciales para los seres humanos, porque no son sintetizados por el cuerpo y son esenciales para la salud y formación de tejidos. Uno de ellos, el linoleico, se encuentra en aceites vegetales y su ingestión promueve la baja de niveles de lipoproteína o “colesterol malo” en la sangre, designado por las letras LDL (Low Density Lipoprotein). Otro ácido esencial es el araquidónico, ligado a la producción de compuestos en el organismo, relacionados con efectos ÀVLROyJLFRVFRPRÀHEUHHLQÁDPDFLRQHV Con esta breve mirada a los ácidos grasos, se amplía el campo en el cual se hallan estos compuestos determinando procesos que afectan la vida diaria de las personas. Hemos pasado del sencillo jabón a aspectos que tienen que ver con nuestra calidad de vida, de ahí que sea provechoso UHÁH[LRQDUVREUHORViFLGRVJUDVRV\ODYLGDGHOKRPEUH

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 22. B. Molly., S. Lawrence, Chemistry and Living Organism, 6a ed. John Wiley, 1996, p. 406. 23. Op. cit., p. 407.

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LECTURA COMPLEMENTARIA 10

PARA REFLEXIONAR ACEITE DE PESCADO Y AFECCIONES CARDIACAS (24) Desde hace algún tiempo se conoce que una dieta alta en grasas y colesWHUROSXHGHFDXVDUDUWHULRHVFOHURVLV\HQIHUPHGDGHVFDUGLDFDVSRUHVR GHVGHKDFHXQDVGpFDGDVPLOORQHVGHSHUVRQDVKDQLGRPRGLÀFDQGRVXV KiELWRVDOLPHQWLFLRVLQJLHUHQPHQRVJUDVDVVDWXUDGDV\FROHVWHURO\OR sustituyen por grasas poliinsaturadas (con varias instauraciones en su estructura). En Alaska la población tiene una dieta rica en grasas, lo cual supondría niveles de colesterol altos, pero tienen baja incidencia de arterioesclerosis. La grasa que ingieren proviene de pescado y mamíferos marinos, y tiene diferente composición de las correspondientes de los animales terrestres y aún de la de los vegetales. El aceite de pescado contiene concentraciones altas de ácidos grasos poliinsaturados que pertenecen a la familia “omega-3”20 (el 3 indica el primer carbono que tiene doble enlace partiendo del metilo extremo de la estructura). La arterioesclerosis resulta de la formación de placas sobre las paredes de los vasos sanguíneos y arterias, que al crecer pueden llegar a bloTXHDUHOÁXMRGHVDQJUH/DVSODTXHWDVGHODVDQJUHMXHJDQXQSDSHOLPportante en la formación de estas placas y coágulos. Con ácidos grasos como el araquídico, las plaquetas producen eicosanoides, que aumentan de la presión sanguínea y hacen que las plaquetas de la sangre se unan para formar coágulos. Esta combinación de presión alta y coágulos causa problemas circulatorios y cardiacos. En la población de Alaska se encontró una actividad mucho menor de las plaquetas, es decir, menos tendencia a unirse y formar coágulos. Los aceites de pescado contienen ácido linolénico y EPA (ácido 5,8,11,14,27-eicosapentaenoico), sintetizados por el plancton que es consumido por los peces y mamíferos marinos, que los incorporan a sus tejidos. Las investigaciones han mostrado que el EPA inhibe la formación 20

En el comercio se vende leche en polvo con omega 3, ácido linolénico que ayuda a la reducción de los niveles de colesterol.

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de compuestos que causan la unión de las plaquetas de la sangre y reduce la posibilidad de formación de coágulos. Por esto el consumo regular de bacalao y salmón contribuye a disminuir el riesgo de arterioesclerosis y problemas cardiacos.

REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA 24. Op. cit., p. 408. Traducción y adaptación.

LECTURA COMPLEMENTARIA 11

POLARIDAD, MISCIBILIDAD Y TENSIÓN SUPERFICIAL DE LÍQUIDOS (25) Con el propósito de disponer de experiencias factibles de realizar en cualquier institución de educación básica y media, se describe un experimento que puede realizarse en el aula de clase para estudiar aspectos ya mencionados: las fuerzas de cohesión y las fuerzas de adhesión. Se GHVWDFDRWURDVSHFWRODVVXSHUÀFLHVFRPRODGHOYLGULRTXHODJHQHUDOLdad de personas consideran “inerte”, en otras palabras que no presenta ningún tipo de interacción con la mayoría de los compuestos o sustancias que entran en contacto con él. En el desarrollo y análisis de la experiencia, hemos hablado de tensión VXSHUÀFLDOFDSLODULGDGFXUYDWXUDGHOPHQLVFR\²HQODH[SHULHQFLDGHO aguardiente– de viscosidad y miscibilidad. La experiencia que se describe aportará elementos para enriquecer la información respecto a lo que hemos llamado cohesión y adhesión. Los materiales son comunes: etanol, agua destilada, dos láminas de vidrio y dos pipetas que pueden ser remplazadas por goteros.

LA EXPERIENCIA En una de las láminas de vidrio se colocan gotas independientes de agua y en la otra gotas de alcohol. Las gotas de agua permanecen estables, no así ODVGHDOFRKROTXHUiSLGDPHQWHVHHVSDUFHQVREUHODVXSHUÀFLHGHOYLGULR Si una gota de alcohol se coloca muy cerca de una de agua, ésta tiende DVHSDUDUVHRDOHMDUVHGHODOFRKROFXDQGRVXVVXSHUÀFLHVHQWUDQHQFRQtacto. Si varias gotas de alcohol se colocan alrededor de la gota de agua, cuando entran en contacto se observa que la gota de agua se esparce.

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ANÁLISIS La explicación se basa, por una parte, en conceptos de la física, como la atracción de cargas eléctricas de signo contrario y, por otra, en la TXtPLFDSRUTXHSDUDLGHQWLÀFDUODVFDUJDVHOpFWULFDVGHEHPRVDFXGLUD ODHVWUXFWXUDGHODJXDGHODOFRKRO\GHODVXSHUÀFLHGHOYLGULR Agua: H – O – H

Alcohol: CH3-CH2-O – H

Vidrio: (Si O2)n

La molécula de agua posee dos uniones polares (O–H), el alcohol solo una \HVVLJQLÀFDWLYDPHQWHPHQRVSRODUTXHHODJXD(OYLGULRWLHQHPXFKRV grupos. Si = O, que tienen polaridad alta. ¿Qué se entiende por polaridad? Sin profundizar en el modelo de unión química que se aplica para proponer su existencia, podemos considerar en una primera aproximación que la unión de átomos diferentes genera cargas eléctricas de signo contrario en estos átomos, lo cual crea un dipolo eléctrico. Cuanto mayor sea la carga eléctrica generada, mayor será la polaridad. /DIXHU]DGHDGKHVLyQHQWUHHOOtTXLGR\ODVXSHUÀFLHGHOYLGULRHVIXHUWH Además, las fuerzas de cohesión que mantienen juntas las moléculas del líquido son muy fuertes en el agua por ser más polar que el etanol. Hemos oído decir que los puentes de hidrógeno en el agua originan propiedades muy particulares de este compuesto. Una forma de representación de esta interacción es:

Puede deducirse la gran posibilidad de asociación de las moléculas de agua, que permite que se mantengan muy juntas y la gota de agua no VHGLVSHUVH(QHVWHFDVRODVIXHU]DVGHDGKHVLyQDOYLGULRVRQPHQRUHV en otras palabras: fuerzas de cohesión > fuerzas de adhesión Para el alcohol la situación es diferente: fuerzas de adhesión > fuerzas de cohesión

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LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

3RUWDQWRODJRWDGHOtTXLGRVHHVSDUFHGLVSHUVD SRUODVXSHUÀFLHGHO vidrio. &XDQGRODVPROpFXODVGHODVXSHUÀFLHGHODJRWDGHDJXDVHHQFXHQWUDQ FRQODVGHODOFRKROODJUDQIXHU]DGHFRKHVLyQDOWDWHQVLyQVXSHUÀFLDO  mantiene juntas las moléculas en la gota de agua, alejándose de la gota GHDOFRKROHQRWUDVSDODEUDVODXQLyQSRUSXHQWHGHKLGUyJHQRHVVLJQLÀFDWLYDPHQWHPiVIXHUWHHQODJRWDGHDJXDTXHHQODGHHWDQRO/D DOWDWHQVLyQVXSHUÀFLDOFRQIRUPDXQDEDUUHUDTXHLPSLGHODPH]FODGH las dos gotas. Cuando la gota de agua está totalmente rodeada de alcohol, se produce VXÀFLHQWHPH]FODSDUDGLVPLQXLUODVIXHU]DVGHFRKHVLyQHQHODJXD\ como las fuerzas de adhesión (al vidrio) permanecen igual, llegamos al caso de fuerzas de adhesión mayores que fuerzas de cohesión. En este FDVRODJRWDVHHVSDUFHSRUODVXSHUÀFLHGHOYLGULR Con esta experiencia se ponen de presente una vez más dos aspectos determinantes en cualquier proceso de aprendizaje: la descripción macroscópica (observación) y la explicación con base en el modelo de esWUXFWXUDGHODPDWHULDHQHVWHFDVRGHFRPSXHVWRV\VXUHSUHVHQWDFLyQ simbólica mediante fórmulas en que se destacan aspectos que tienen que ver con la polaridad, fundamento de la explicación del fenómeno observado.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 25. P. Todd, Silverstein. Overhead projector demonstration. J. Chem. Educ. 1993, 70, 253. Traducción y adaptación.

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CAPÍTULO 4 MANEJO DE GASES

INTRODUCCIÓN Cuando se menciona la palabra gas o gaseoso, la asociamos a situaciones cercanas, de acuerdo con el contexto en que nos encontremos. La primera asociación es con algo que no vemos pero que eventualmente sentimos. Es el caso de la atmósfera, palabra derivada del griego atmos TXHVLJQLÀFDYDSRU\GHspheiraTXHVLJQLÀFDHVIHUD(QVHQWLGRJHQHUDOVHGHÀQHFRPRODHQYROWXUDJDVHRVDTXHURGHDOD7LHUUD\DOJXQRV FXHUSRVFHOHVWHVHQVHQWLGRÀJXUDGRRFRORTXLDOKDFHPRVUHIHUHQFLDD una “atmósfera pesada” cuando el ambiente en que nos encontramos es tensionante. Volviendo a la atmósfera como envoltura que rodea la Tierra, está compuesta principalmente por oxígeno (O2) y nitrógeno (N2). En algunos cuerpos celestes como el Sol, por hidrógeno (H2  \ KHOLR +H  0DUWH por dióxido de carbono (CO2 3OXWyQSRUPHWDQR&+4). Pero es la proporción en que se encuentran los gases de la atmósfera lo que le da sus propiedades. La atmósfera terrestre es una “mezcla de gases” que presenta características que pueden describirse aplicando las leyes de los gases que relacionan los parámetros o variables: presión, volumen, temperatura y masa, que conocemos usualmente como Ley de Boyle, Ley de Charles, Ley de Dalton. Además, cuando nos referimos a la difusión de los gases DSOLFDPRVOD/H\GH*UDKDPDVXVROXELOLGDGOD/H\GH+HQU\&XDQGR describimos un estado dado de un gas, aplicamos la ecuación de estado. (Véase Lectura complementaria 12). Estas descripciones del comportamiento de los gases permiten explicar algunos procesos que nos afectan directamente. El proceso de respiración se puede interpretar en términos de la Ley de Boyle: al inhalar, el diafragma se contrae, aumenta el volumen de la cavidad toráxica, baja ODSUHVLyQ\HODLUHÁX\HKDFLDORVSXOPRQHV$OH[KDODUHOGLDIUDJPDVH relaja, disminuye el volumen de la cavidad toráxica, la presión aumenta PD\RUTXHODDWPRVIpULFD \HODLUHÁX\HIXHUDGHORVSXOPRQHV&XDQdo una persona se atora con un alimento o cuerpo extraño, una fuerte presión sobre el abdomen causa una disminución rápida del volumen

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del pecho, aumenta la presión y el objeto que obstruye la garganta es expulsado. El aire que respiramos es una mezcla de gases en que el oxígeno (20% DSUR[LPDGDPHQWH WLHQHXQDIXQFLyQGHWHUPLQDQWHVLpVWHGLVPLQX\H la supervivencia de los seres aeróbicos se ve amenazada. Un cálculo sencillo permite aclarar este contexto. A nivel del mar la presión es 1 atmósfera o 760 mm de Hg21. Si la proporción de oxígeno es de 20%, la presión ejercida por este gas (presión parcial del oxígeno: PO2) es la quinta parte de 760 mm, es decir, 152 mm. A medida que se asciende, por ejemplo en Bogotá, donde la presión atmosférica es 560 mm, la presión parcial del oxígeno es 112 mm de Hg. A una altura mayor, como la de vuelo de los aviones, la presión disminuye VLJQLÀFDWLYDPHQWH\ODSUHVLyQSDUFLDOGHOR[tJHQRHVPX\EDMDSDUDHO SURFHVRGHUHVSLUDFLyQSRUHVWRODVFDELQDVGHORVDYLRQHVVRQSUHVXULzadas para mantener la presión de 650 a 700 mm de Hg. ¿Qué pasa en el sistema respiratorio cuando la presión parcial del oxígeno es baja? Cuando esto sucede, el proceso de difusión del oxígeno (O2) hacia las células disminuye con el consiguiente efecto sobre la actividad del organismo. En conclusión podemos decir que el proceso de la respiración está marFDGDPHQWHLQÁXHQFLDGRSRUODSUHVLyQSDUFLDOGHORVJDVHVTXHFRQVWLtuyen la atmósfera, (principalmente el oxígeno). Además, el dióxido de carbono es un producto del proceso. Es de esperar que la difusión de los gases se realice de zonas de alta presión a zonas donde esta es baja. Así, el oxígeno (PO2 = 104 mm de Hg) se difunde de los pulmones a la sangre (PO2 = 40 mm de Hg) y el dióxido de carbono se difunde de la sangre (PCO2 = 45 mm de Hg) a los pulmones (PCO2 = 40 mm de Hg) para proceder a exhalarlo (26).

LA EXPERIENCIA Un procedimiento muy sencillo que ilustra el comportamiento ideal de los gases, la presión parcial y el cálculo de la constate R de los gases, 21

 DWP PPGH+JDWP WRUUWRUU 3DDWP SVLWRUU = 1 mm de Hg.

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LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

se basa en la pérdida de masa de un encendedor (desechable) en el que una fracción de la mezcla gaseosa que contiene se recoge sobre agua a condiciones dadas. Sin embargo, surge una inquietud. ¿Por qué se habla de mezcla gaseosa si lo que se ve en el tanque del encendedor es un líquido y al abrir la válvula sale un gas? Para explicar este hecho se acude a dos propiedades de los gases: SUHVLyQ FUtWLFD \ WHPSHUDWXUD FUtWLFD (Véase la lectura complementaria 13). Los materiales que se utilizan son encendedor desechable, conductor de gases22, una probeta de 10 mL, un recipiente con agua. Como recolector de la mezcla gaseosa también puede usarse una jeringa (desechable) de 10 mL o un manómetro. Los montajes correspondientes se muestran en ODVÀJXUDV\

Figura 31

Figura 32

La toma de datos es sencilla: determinar la masa del encendedor antes y después de haber recogido la mezcla gaseosa, medir el volumen de la mezcla gaseosa recogida y conocer las condiciones ambientales de presión y temperatura, y la composición de la mezcla del encendedor. Esta consta de propano (C3H8), butano (C4H10) y pentano (C5H12) en porcentajes de 9%, 87,5% y 3%, respectivamente. 22

Como manguera para llevar la mezcla gaseosa al recipiente donde se recoge sobre agua, se puede usar el forro plástico de alambre eléctrico que mejor se adapte a la salida de los gases del encendedor.

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La medida del volumen depende del sistema de recolección de la mezcla gaseosa: con los montajes 1 y 2, es el equivalente al agua desplazada o a la lectura directa sobre la jeringa. En los dos primeros casos, la tabla correspondiente puede ser: *DV Butano Propano Pentano

% 87,5 9 3

0DVD

0ROHV

X

Masa total = _______ PT = 0,736 atm.

3S

3SQ

n

Volumen ______

T = 290 K

PVH2O = 14,5 mm de Hg

(Condiciones de Bogotá) Nota 1. Cuando la recolección se hace sobre agua, al hacer la lectura del volumen recogido, los niveles externo e interno del agua deben coincidir para no tener que hacer correcciones por la presión de la columna de agua. Cuando el nivel interno está por encima del exWHUQRVHGHEHUHVWDUHOYDORUGHODSUHVLyQGHODFROXPQDGHDJXD cuando el nivel externo está por encima del interno, se debe sumar. Nota 2. Los valores de la constante R obtenidos en experiencias realizadas se encuentran entre 0,070 y 0,080 L. atm/mol.K El cálculo de la constante R se puede hacer suponiendo que el gas es 100% EXWDQR (Q HVWH FDVR ORV UHVXOWDGRV REWHQLGRV QR GLÀHUHQ VLJQLÀFDWLYDmente de cuando se trabaja con cada componente gaseoso de la mezcla.

Figura 33

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Figura 34

LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

Si la recolección del gas se hace con un manómetro, en el diagrama se muestra el estado antes y después de tomar la muestra gaseosa. En este caso hay que tener en cuenta tres aspectos: 1. El aire que inicialmente se encuentra en la rama derecha del manómetro es constante durante la recolección de la muestra gaseosa y su composición es 20% de oxígeno y 80% de nitrógeno en volumen. 2. El diámetro del tubo para calcular la presión ejercida por la columna de agua y el volumen y la masa del aire antes de hacer la recolección de la muestra gaseosa. Véase lectura complementaria 14. 3. La mezcla gaseosa después de la recolección del gas proveniente del encendedor contiene el aire inicialmente presente en la rama derecha del manómetro más los gases provenientes del encendedor en la proporción que se indica en el cuadro Nota 3. La escala numérica es un ejemplo para guiarse y no implica que las ramas del manómetro deban tener 2 m de longitud. La tabla correspondiente para un trabajo de este tipo podría ser: *DV Nitrógeno Oxígeno Butano Propano Pentano

% 80 20 87,5 9 3

0DVD

Masa recolectada = ____ g

0ROHV

X

3S

3SQ

R

Volumen = ____ L

PT = ____ atm.

Diámetro tubo del manómetro = ____ cm

PVH2O = ____ mm de Hg

Presión columna de agua = ____ mm de Hg.

¿Qué explicación se puede dar al hecho de que el valor calculado de la FRQVWDQWH5QRYDUtDVLJQLÀFDWLYDPHQWHVXSRQLHQGRTXHHOJDVHV butano?

REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA 26. Molly, M.B, Lawrence, J.S. Chemistry and living organism. John Wiley & Sons, Nueva York, 1996, pp. 69-71.

99

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LECTURA COMPLEMENTARIA 12

LEYES DE LOS GASES INTRODUCCIÓN En el nivel macroscópico23, la materia se presenta en tres estados: sólido, líquido y gaseoso, cada uno de los cuales tiene propiedades características descritas con base en el modelo corpuscular de estructura de la materia. En general, el estado sólido se caracteriza por propiedades como duUH]DWHQDFLGDGIRUPDGHÀQLGDHOOtTXLGRSRUVXSRVLELOLGDGGHÁXLU prácticamente incompresible y se acomoda a la forma del recipiente TXHORFRQWLHQHHOJDVHRVRVHFDUDFWHUL]DSRUODWHQGHQFLDDRFXSDUHO máximo espacio disponible, ejerce presión en todas direcciones sobre las paredes del recipiente que lo contiene y su volumen es susceptible GHPRGLÀFDFLyQSRUDFFLyQGHODWHPSHUDWXUD\ODSUHVLyQ Estas propiedades generales se pueden explicar con base en el modelo cinético molecular de la materia, que describe el estado gaseoso como aquel en que las partículas constitutivas tienen libertad de movimiento al azar, no se da interacción entre ellas y ejercen presión debido al choque contra las paredes del recipiente que lo contienen. Por cierta facilidad para el manejo de los gases, su estudio fue el primero en que aplicaron técnicas de medición que dieron como resultado lo que hoy conocemos como leyes de los gases y que plantean relaciones entre los parámetros por los cuales se describen los gases: masa, temperatura, presión y volumen. /H\GH%R\OH Establece la relación inversa entre la presión y el voluPHQVHH[SUHVDSRUODUHODFLyQ (a temperatura constante) /H\GH&KDUOHV Establece la relación directa entre temperatura y voluPHQVHH[SUHVDSRUODUHODFLyQ

23

Macroscópico: observable con los sentidos.

100

LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

(a presión constante) /H\GH+HQU\ Establece la relación directa entre la presión y la solubilidad de un gas a una temperatura dada. Una aplicación de esta ley se evidencia en las bebidas gaseosas y la cerveza, que contienen una cantidad determinada de dióxido de carbono (CO2) a una presión mayor que la atmosférica. Al destapar la botella o la lata baja la presión, disminuye ODVROXELOLGDG\SDUWHGHOGLy[LGRGHFDUERQRVDOHHQIRUPDGHEXUEXMDV si son abundantes, la llamamos espuma. Otro ejemplo que puede analizarse desde el punto de vista de esta ley es el caso de los buzos. Cuando descienden bajo las aguas aumenta la presión y, por tanto, aumenta la solubilidad de la mezcla gaseosa que respiran, dependiendo del tipo de buceo. Cuando ascienden deben hacerlo lentamente para que no haya una disminución brusca de la presión que pueda causar una repentina disminución de la solubilidad de los gases y se produzcan burbujas en los vasos sanguíneos, que pueden llegar a taponar el paso de la sangre (27). /H\ GH 'DOWRQ. El hecho de que los gases ejercen presión sobre las paredes del recipiente que los contiene se explica por los choques de las unidades constitutivas contra las paredes del recipiente donde se encuentran. Estos choques pueden aumentar por unidad de tiempo con el consiguiente aumento de la presión, al menos en tres formas: aumenWDQGRODPDVDGHOJDVSXHVDOKDEHUPiVSDUWtFXODVKD\PiVFKRTXHV aumentando la temperatura, porque a mayor temperatura las partículas adquieren mayor velocidad y por consiguiente mayor frecuencia en los FKRTXHVDXPHQWDQGRODSUHVLyQSXHVWRTXHGLVPLQX\HHOYROXPHQ\ODV partículas recorren menos espacio entre choque y choque, con el consiguiente aumento de la presión. La experiencia mostró que este comportamiento depende de la cantidad de partículas presentes y no de su naturaleza. Como no hay interacción entre ellas, cada tipo de partícula se comporta independientemente de las demás (como si estuvieran solas) y ejercen su propia presión, llamada SUHVLyQSDUFLDO (Pp). Dalton estableció que en una mezcla gaseosa la presión total (PT) es igual a la suma de las presiones de cada gas presente. PT = P1 + P2 + P3 + …

101

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Considerando los componentes del aire, la presión total será: PT = PO2 + PN2 + Px + Py + Pz + … /H\GH*UDKDP Cada día se usan más los ambientadores (aromatizantes de ambientes) que vienen en diferentes presentaciones. El hecho es que cuando se ubican en un lugar del cuarto o zona que se quiere ambientar, HODURPDVHGLIXQGHSRUWRGRHOHVSDFLRSRGUtDPRVGHFLUTXHHOFDXVDQte del olor agradable sale del recipiente donde se encuentra y viaja por el aire y su olor se detecta en cualquier zona del cuarto. No vemos el compuesto causante del olor, pero lo percibimos porque se ha difundido por todo el espacio. Este comportamiento de los gases se describe por la Ley de Graham, que relaciona la velocidad de difusión (vd) con la masa molecular (M) de las partículas del gas.

(FXDFLyQ GH HVWDGR 6H UHÀHUH D XQD VLWXDFLyQ GDGD GH XQD PXHVWUD gaseosa y relaciona las variables presión (P), temperatura (T), volumen (V) y masa en moles (n). PV=nRT Donde R es la constante de proporcionalidad, llamada constante de los gases. El valor numérico de esta constante depende de las unidades que se empleen.

REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA 27. Molly, M.B., Lawrence, J.S. Chemistry and living organism. John Wiley & Sons, Nueva York, 1996, p. 66.

102

LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

LECTURA COMPLEMENTARIA 13

PRESIÓN CRÍTICA Y TEMPERATURA CRÍTICA Hoy en día se habla con frecuencia de “gases industriales”, como aquellos que tienen aplicación en este tipo de procesos. Es el caso del cloro (Cl2), gas amarillo verdoso altamente tóxico que se transporta líquido en tanques o cilindros. Otro gas es el hidrógeno, que cada día toma más importancia como combustible y que se transporta líquido. Igual sucede con el helio y nitrógeno líquidos empleados para mantener sistemas a temperaturas bajas. Un parámetro que permite describir este comportamiento es la tempeUDWXUDFUtWLFD7F GHÀQLGDFRPRDTXHOODSRUHQFLPDGHODFXDOQRHV SRVLEOHOLFXDUXQJDVHQRWUDVSDODEUDVDYDORUHVVXSHULRUHVDHVWDWHPSHUDWXUDHOJDV\HOOtTXLGRQRFRH[LVWHQHVGHFLUTXHQRH[LVWHQVLPXOtáneamente la fase líquida y la fase gaseosa. Otro es la presión crítica (Pc), la necesaria para licuar una muestra gaseosa que se encuentra a la temperatura crítica. Algunos ejemplos se muestran en la tabla siguiente (28): (OHPHQWRFRPSXHVWR

Tc (oC)

3FDWP

144

76,1

Hidrógeno (H2)

- 240

12,8

Helio (He)

- 268

2,26

Nitrógeno(N2)

- 147

33,5

Dióxido de carbono (CO2)

31,0

72,9

Butano (C4H10)

152

37,5

Propano (C3H8)

96,8

42

Pentano (C5H12)

196

33,8

Cloro (Cl2)

Es posible licuar los gases con temperatura crítica alta por efecto de presión a condiciones de temperatura ambientales (el helio, nitrógeno e hidrógeno requieren procesos previos para disminuir la temperatura hasta llegar a valores menores de la temperatura crítica). $OGHÀQLU7F\3FVHKL]RUHIHUHQFLDDODFRH[LVWHQFLDGHIDVHVORFXDO lleva a analizar brevemente el tema de los diagramas de fase, en este caso P-T.

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6HHQWLHQGHSRUGLDJUDPDGHIDVH37HOTXHPXHVWUDJUiÀFDPHQWHOD relación para diferentes fases en equilibrio de una sustancia dada. El HMHPSORWtSLFRHVHODJXDFX\RGLDJUDPDVHPXHVWUDHQODÀJXUD

Figura 35

En estos diagramas las líneas corresponden al equilibrio entre fases. Así, la línea vertical con pendiente negativa corresponde al equilibrio sólidolíquido. La que va desde el eje de la presión hasta el punto G describe el equilibrio sólido-gas, siendo G el punto triple del agua donde coexisten las tres fases a partir del punto G, se tiene la línea de equilibrio líquidogas. Con esta breve descripción se puede hacer un pequeño análisis al desplazarse en este diagrama tomando como punto de partida el punto A. Al desplazarnos del punto A al punto B, aumenta la presión por compresión isotérmica24 en el punto de corte con la curva de equilibrio líquido-gas coexisten las dos fases y al cruzarla el gas se licua gracias a que está por debajo de la temperatura crítica. Puede realizarse el mismo proceso al hacer la compresión del punto D al punto C, pero no se logra la licueIDFFLyQGHOJDVSRUHVWDUDXQDWHPSHUDWXUDPD\RUTXHODFUtWLFDSDUD lograrlo hay que reducir la temperatura (a presión constante) hasta el 24

Compresión isotérmica: disminución de volumen a temperatura constante.

104

LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

punto B u otro cualquiera ubicado al mismo nivel de la horizontal CB. En conclusión, desde cualquier punto ubicado por debajo de la temperatura crítica y hasta el punto G, mediante compresión es posible licuar el gas que tiene el comportamiento mostrado en el diagrama25. El punto crítico, propio de cada sustancia, se caracteriza por algunas propiedades como: x No existe interface gas-líquido. x (OFRHÀFLHQWHGHH[SDQVLyQWpUPLFRHVPX\DOWR x La entalpía de vaporización es cero. Es pertinente aclarar el término. ,QWHUIDFH6HYLVXDOL]DFRPRHOOtPLWHGHVHSDUDFLyQHQWUHGRVIDVHVHQ este caso en el punto crítico no existe este límite. Otras propiedades, como la viscosidad, son mucho más bajas, que la de ORVOtTXLGRVORFXDOFRQÀHUHSURSLHGDGHVKLGURGLQiPLFDVIDYRUDEOHV/D WHQVLyQVXSHUÀFLDOEDMDGHHVWRVVLVWHPDVSHUPLWHXQDDOWDSHQHWUDELOLGDGDWUDYpVGHVyOLGRVSRURVRVOOHJDQGRDVHUXQSRWHQFLDOPRGLÀFDGRU de sus estructuras. Ampliando un poco más el análisis podemos hacer la pregunta: ¿qué se tiene a valores superiores a la Tc y Pc? 8QDVXVWDQFLDHQWDOHVFRQGLFLRQHVVHFRQRFHFRPR´ÁXLGRVXSHUFUtWLFRµ caracterizado como aquel estado con propiedades intermedias entre el líquido y el gas. De nuevo hablamos de estado y es oportuno recordar que actualmente se conocen cuatro estados de la materia. -

Sólido Líquido Gaseoso Plasma

/RVWUHVSULPHURVVRQEDVWDQWHIDPLOLDUHV\IiFLOPHQWHVHLGHQWLÀFDQODV propiedades que los caracterizan y que ya fueron mencionadas. (OSODVPDSRUVXVFDUDFWHUtVWLFDVVHDSOLFDHQSURFHVRVHVSHFtÀFRV\VH requiere trabajar a condiciones extremas de temperatura y por tanto a 25

Para un análisis un poco más amplio, véase Kennet, W., Kennet, G. y Raymond, D. Química general. 3a ed. McGraw-Hill, México, 1992, pp. 316-318.

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niveles de energía muy altos. Al respecto Kennet (29) lo describe como “estado físico de la materia, que existe a temperaturas sumamente altas, en el cual todas las moléculas están disociadas y la mayoría de los átomos se encuentran ionizados”26.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 28. Roy, Keller. Basic Tables in chemistry. McGraw-Hill, Nueva York, 1967, pp. 244-248. 29. Kennet, W., Kennet, D., Raymond, D. Química general. 2a ed. McGraw-Hill, México, 1992, pp. 829.

LECTURA COMPLEMENTARIA 14

PRESIÓN Y SU MEDIDA Desde hace muchos años se viene hablando del aire, incluso tomándolo como elemento constitutivo básico de la materia (Anaxímenes 570 a.C.). 7UDQVFXUULHURQYDULRVVLJORVHQORVTXHGLIHUHQWHV´FLHQWtÀFRVµHVWXGLDron diversos “aires”, pero solo hasta aproximadamente 1643 Evangelista Torricelli mostró que el aire ejercía presión. Posteriormente el físico Otto von Guericke inventó la bomba de vacío, base para la demostración espectacular (para la época) que se describe en los textos de física: las famosas semiesferas que unidas, y extraído el aire de su interior, no pudieron ser separadas por yuntas de caballos que halaban en direcciones RSXHVWDVPRVWUDQGRDVtODPDJQLWXGGHODSUHVLyQGHODLUH\FRQÀUPDQdo la experiencia de Torricelli, en la que una columna de mercurio de 76 cm era sostenida por la presión del aire. Por la misma época Robert Boyle realizó una serie de experimentos en los que al aumentar la presión sobre una muestra de aire, ésta disminuía de volumen, es decir, se establecía una relación inversa 27. Este comportamiento se describe por la relación: PV = k 26

(VWD FLWD VH SUHVHQWD FRQ DOJXQDV PRGLÀFDFLRQHV GH SXQWXDFLyQ UHVSHFWR GHO RULJLnal.

27

Para más detalles, véase Isaac A. Breve historia de la química, Alianza Editorial, Madrid, 1975, pp. 43-47.

106

LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

Volviendo sobre la presión del aire y la experiencia de Torricelli, la presión ejercida por una columna de líquido sobre el fondo depende de la longitud (altura) de la columna y de la densidad del líquido. Para el caso de la columna de mercurio al nivel del mar es 76 cm (760 mm) y se le da el valor de 1 atPyVIHUDÀJXUDVXHTXLYDOHQWHHQ una columna de agua es de 10,33 m. (V RSRUWXQR DQRWDU TXH VH GHÀQH presión como la fuerza (F) por unidad de área (A), de acuerdo con la expresión P = F/A. En el sistema internacional de unidades (SI), la unidad GH SUHVLyQ HV HO 3DVFDO 3D GHÀQLGR Figura 36 como la presión que ejerce un newton 28 2 (N) sobre un área de 1 m . También se emplean otras unidades, entre las que se encuentran: 1 atmósfera = 760 mm de Hg = 760 torr = 1,013 x 105 Pa = 101,3 kPa = 14,7 lb/pulg 1 bar = 1053DPPGH+J WRUU

PRESIONES PARCIALES Una extensión del comportamiento de los gases, en cuanto a la presión ejercida, fue encontrada por Dalton, quien detectó que en una mezcla gaseosa cada gas ejerce presión parcial (Pp) y que la presión total (PT) es la suma de las presiones parciales. PT = P1 + P2 + P3 + P4 + … Cuando se trabaja con mezclas gaseosas, una expresión para describir la proporción en que se encuentran sus componentes es la fracción PRODU; GHÀQLGDFRPRODUHODFLyQHQWUHHOQ~PHURGHPROHVGHFDGD componente y el número de moles totales. Para un sistema de tres componentes con número de moles n1, n2 y n3, la fracción molar (X) correspondiente a cada componente es: 28

En textos de física, capítulo de hidrostática se puede repasar sobre unidades de fuerza, presión, principio de Pascal, etc.

107

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donde

nT = n1 + n2 + n3

Si aplicamos la ley de Dalton, el número de moles presentes del componente 1 ejercerá una presión parcial P1 que dependerá de la fracción molar (X1) y de la presión total (PT). P1 = PT X1 Por tanto, para el sistema de tres componentes, se tiene:

La suma de las fracciones molares de los componentes de un sistema es igual a 1.

LECTURA COMPLEMENTARIA 15

CIFRAS SIGNIFICATIVAS Toda medida experimental está sujeta a limitaciones, que introducen FLHUWR JUDGR GH LQFHUWLGXPEUH HQ HO YDORU TXH VH HQFXHQWUD HV GHFLU presenta una duda sobre ese valor. Cuanto menor sea la incertidumbre, PiVFRQÀDEOHHVODPHGLGD$OKDFHUXQDPHGLFLyQFX\RYDORUHVSURFHsado luego matemáticamente, es frecuente encontrar que, por ejemplo, la densidad de un cuerpo es 2,3845265 g/cm3, porque es el número que GDODFDOFXODGRUDHPSOHDGDSHURODPDVDGHOFXHUSRVHGHWHUPLQyFRQ una balanza con aproximación a la tercera cifra decimal y el volumen se midió por desplazamiento de agua en un recipiente cuya división más pequeña era 0,1 mL. Indudablemente el valor reportado de densidad es LOyJLFRSRUTXHQRWRGRVORVQ~PHURVLQGLFDGRVWLHQHQVLJQLÀFDGRItVLFR Dado que esta es una temática poco familiar para la mayoría de las personas, se deja de lado, a pesar de tener importancia fundamental en los procesos de medida. ¢4XpHVODLQFHUWLGXPEUH"3XHGHGHÀQLUVHFRPRHOLQWHUYDORHQHOFXDO se encuentra el valor numérico de una medida (30).

108

LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

Figura 37

Por ejemplo, en la medida de una longitud que está entre 15 cm y 16 cm se cuenta con tres instrumentos que tienen diferente escala, como se PXHVWUDHQODÀJXUD &RQHOLQVWUXPHQWRD ODORQJLWXGGHOFXHUSRVHKDOODHQWUH\FP con el b) se encuentra entre 15,4 y 15,5 cm y con el c) entre 15,44 y 15,45 cm. Es claro que con el primer instrumento la incertidumbre es mayor en la medida. Por esto, en toda medida se habla de precisión, asociada ya sea con reproducibilidad o replicación de valoresFRPR 12,310 que tienen una alta precisión. También se asocia a la ÀQXUD en la medición: si es una medida hecha con aproximación al centímetro o al milímetro. Para el adecuado manejo de estos aspectos, se introduce el concepto de FLIUDVLJQLÀFDWLYD: WRGRGtJLWRTXHWLHQHVLJQLÀFDGRItVLFRHQHOFRQWH[WR del número asociado a la medida. Es de esperar que una medida realizada con aproximación al milímetro es más precisa, porque tiene más FLIUDVVLJQLÀFDWLYDV 6LDSOLFDPRVHVWDGHÀQLFLyQDODVPHGLGDVSODQWHDGDVODSULPHUDWHQGUtD GRVFLIUDVVLJQLÀFDWLYDVODVHJXQGDWUHV\ODWHUFHUDFXDWURVLKDFHPRV referencia a las cifras que se consideran exactas. De acuerdo con la división más pequeña de la escala, es posible tener un valor aproximado con

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VLJQLÀFDGRItVLFRSXHVWRTXHXELFDHOYDORUPHGLGRHQHOLQWHUYDORGHOD división más pequeña de la escala. En tal caso, el primer valor tiene tres FLIUDVVLJQLÀFDWLYDV HOVHJXQGRFXDWURFLIUDV \HOWHUFHUR FLQFRFLIUDVVLJQLÀFDWLYDV  En conclusión, el valor de una medida debe darse con las cifras exactas que permita el instrumento de medida, seguido de una cifra aproximada. 3RUHMHPSORODGLYLVLyQPiVSHTXHxDGHXQDSUREHWDGHP/HVP/ en las buretas de 25 mL es 0,1 mL. En el primer caso, el valor de la medida de un volumen de líquido tiene una cifra exacta y una aproximada GRVFLIUDVVLJQLÀFDWLYDV (QODEXUHWDWUHVFLIUDVH[DFWDV\XQDDSUR[LPDGDFXDWURFLIUDVVLJQLÀFDWLYDV  2WURDVSHFWRHVODGHWHUPLQDFLyQGHODVFLIUDVVLJQLÀFDWLYDVFXDQGRVH tienen ceros antes y después de la coma decimal. Al respecto, se aplican reglas muy sencillas. - Los ceros ubicados inmediatamente antes y después de la coma deFLPDORSXQWRGHFLPDO QRVRQFLIUDVVLJQLÀFDWLYDVVyORVLUYHQSDUD localizar la posición decimal. - Los ceros intermedios y terminales, cuando el número tiene coma GHFLPDORSXQWRGHFLPDO VtVRQFLIUDVVLJQLÀFDWLYDV En los ejemplos siguientes se aplican las reglas expuestas. 

FLIUDVVLJQLÀFDWLYDV



FLIUDVVLJQLÀFDWLYDV



FLIUDVVLJQLÀFDWLYDV



FLIUDVVLJQLÀFDWLYDV

En el último ejemplo pueden surgir dudas porque los ceros pueden tener sentido físico o solo pueden indicar la magnitud de la medida. Para REYLDUHVWDVLWXDFLyQVHXVDODQRWDFLyQFLHQWtÀFDTXHXWLOL]DXQDFLIUD entera y potencias de 10 que ubican la coma (o punto) decimal. 0,0253

se escribe 2,53 x 10-2 

FLIUDVVLJQLÀFDWLYDV

83,027

se escribe 8,3027 x 10 

FLIUDVVLJQLÀFDWLYDV

0,00710

se escribe 7,10 x 10-3 

FLIUDVVLJQLÀFDWLYDV

375000

se escribe 3,75 x 105 

FLIUDVVLJQLÀFDWLYDV

110

1

LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

(QHO~OWLPRHMHPSORVLORVFHURVWLHQHQVLJQLÀFDGRItVLFRHVGHFLUTXH al hacer la medida se tiene que las tres últimas cifras son cero, el valor se escribe 3,75000 x 105FLIUDVVLJQLÀFDWLYDV  Es frecuente encontrar expresiones como 56 + 2, en que la forma +2 inGLFDXQHVWLPDWLYRGHODLQFHUWLGXPEUH/DGLÀFXOWDGVHSUHVHQWDFXDQGR se quiere determinar esa incertidumbre. En general se considera que un observador puede estimar un dígito entre ODGLYLVLyQPiVSHTXHxDGHODFDOLEUDFLyQGHOLQVWUXPHQWRGHPHGLGDDVt cuando la división más pequeña de la escala es 1 mL, es posible estimar décimas de mililitro y el valor puede ser X + 0,1. Si una medida debe darse con una incertidumbre de + 0,01, la división más pequeña de la escala del instrumento de medida debe ser 0,1.

REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA 30. Jorge, M., Jorge, A.P. Las matemáticas en la química. Manejo de datos experimentales. Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, 1986.

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MATERIA puede

ser

GASEOSA

SÓLIDA

puede

LÍQUIDA

ser

como

MEZCLAS

ELEMENTOS

COMPUESTOS

como

ATMÓSFERA constituida por

OXÍGENO

OTROS GASES

NITRÓGENO cada uno

ejerce

PRESIÓN llamada

PRESIÓN PARCIAL

según

cuya suma es

Atmósferas . Atm. mm. de Hg Pascales (Pa) lb/in 2

expresada en

PRESIÓN ATMOSFÉRICA equilibrada por

COLUMNA DE 76 cm de Hg COLUMNA DE 10,33 m de H2O

112

COMPOSICIÓN expresada como

FRACCIÓN MOLAR (X) tal que

SUMA DE Xi = 1 Donde i = 2,3,4,...

CAPÍTULO 5 QUÍMICA Y ELECTRICIDAD

INTRODUCCIÓN ¿Podríamos imaginar nuestra sociedad actual sin pilas, sin acumuladores, sin recubrimientos para prevenir la corrosión y sin procesos electroquímicos industriales para la producción de bienes de consumo? Tal vez no, pues son elementos cuyas bases se establecieron hace ya varios años y hoy en día son clave en el desarrollo de la sociedad. Se puede decir que desde que Luigi Galvani (1741) observó el encogimiento convulsivo del músculo de una rana al ser tocado por dos metales diferentes, nació la electroquímica, que desarrolló Alessandro Volta. Luego Michael Faraday sentó las bases para la aplicación industrial de la electricidad. Hoy las conocemos como las leyes que llevan su nombre. La mayoría de los aparatos que hacen la vida algo más cómoda funcionan con electricidad, proveniente ya sea de centrales eléctricas o de pilas cada GtDPiVVRÀVWLFDGDVGHJUDQGXUDFLyQ\KDVWDUHFDUJDEOHV&XDQGRYDPRV SRUODFDOOHVRQQXPHURVDVODVSHUVRQDVTXHXVDQFHOXODUJUDEDGRUDVÀOPDGRUDVDXGtIRQRV\FiPDUDVIRWRJUiÀFDVTXHIXQFLRQDQFRQXQDSLOD Ante esto nos hemos preguntado alguna vez: ¿Cómo funciona una pila? ¿Por qué unas pilas funcionan más tiempo que otras? ¿Qué es la corrosión y los recubrimientos para proteger metales? ¿Qué son reacciones de oxidación reducción? ¿Qué es potencial de reducción de una especie química? Y si nos proyectamos hacia el futuro cercano: ¿Cómo se moverán los vehículos de transporte? Como es sabido, se investiga en varias direcciones: motores eléctricos, hidrógeno como combustible y la llamada celda de combustible (31). Aunque la temática es compleja, se debe tener en cuenta varios elementos para explicar los fenómenos observados, porque estos tienen manifestaciones a nivel macroscópico y explicaciones a nivel microscópico, donde se trabaja con representaciones simbólicas (símbolos, fórmulas, ecuaciones químicas), con los consiguientes problemas para su enseñanza. Al respecto de este problema, Dorothy G. hace un análisis interesante en “Mejorando la enseñanza y el aprendizaje mediante la investigación en educación química – Una mirada al futuro” (32).

113

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Como introducción a la temática se plantea la siguiente experiencia. Una demostración típica de oxidación reducción, presentada por varios autores, se puede describir así: 1. En una solución de ácido clorhídrico 0,1 M se introduce zinc (Zn) metálico (alambre, lámina, cinta) y se observa la producción de un gas (H2(g) VREUHODVXSHUÀFLHGHOPHWDO 2. Se introduce en la solución de ácido clorhídrico cobre (Cu) metálico (alambre, lámina) y no se observa la producción de gas sobre la suSHUÀFLHGHOFREUH 3. Como último paso se conectan las láminas (o alambres) de zinc y cobre, y se introducen en la solución de ácido clorhídrico. ¡Oh sorpresa, ODVEXUEXMDVGHJDVVHSURGXFHQHQODVXSHUÀFLHGHORVGRVPHWDOHV De inmediato surge una inquietud: ¿qué explicación se da al hecho de que el cobre sumergido en la solución de ácido clorhídrico no produce burbujas, pero las produce al estar simultáneamente conectado con el zinc? Susan M y John L. (33) sugieren un complemento de esta demostración empleando magnesio (Mg) en lugar de zinc. El procedimiento es el mismo descrito para el par Zn-Cu, pero como el magnesio reacciona más rápido que el zinc, se puede aportar un hecho adicional: en el tercer paso, inicialmente se observó la producción de burbujas de hidrógeno gaseoso VREUHODVXSHUÀFLHGHORVGRVPHWDOHVSHURDOFRQVXPLUVHHOPDJQHVLR FHVyODSURGXFFLyQGHKLGUyJHQRVREUHODVXSHUÀFLHGHOFREUH Se pueden plantear al menos tres preguntas: ¿Se activa el cobre29? ¿De dónde provienen las burbujas de hidrógeno gaseoso? ¿Sufrieron algún cambio el zinc y el cobre metálicos? ¿Cómo podría demostrarse que los metales han reaccionado con el ácido clorhídrico? En esta parte del análisis, es necesario concretar los conceptos que permitan estructurar la explicación de los hechos observados y las inquietudes planteadas. 29

Activar: hacer que un proceso se promueva o inicie.

114

LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

Para comenzar se debe plantear que se produjo una reacción de oxidación reducción. Pero ¿Qué son reacciones de oxidación reducción? (OWpUPLQRR[LGDFLyQVHXWLOL]DEDSDUDLGHQWLÀFDUUHDFFLRQHVGHHOHPHQWRVRFRPSXHVWRVFRQHOR[tJHQRSHURFRQORVDYDQFHVHQHOHVWXGLRGH estructura de la materia, estructura atómica, unión química y electronegatividad, actualmente se logró un “acuerdo” en torno de los conceptos de oxidación y reducción, relacionándolos con la pérdida o ganancia de electrones de las especies químicas que toman parte en una reacción como reaccionantes o como productos. Esta descripción se encuentra en la mayoría de los textos de uso común en educación secundaria y básica universitaria. &RQEDVHHQODSpUGLGDRJDQDQFLDGHHOHFWURQHVYDUtDORTXHVHKDGHÀnido como “número de oxidación”, que se determina con base en reglas que algunos autores simplemente enuncian y aplican. Por ejemplo: - El número de oxidación de los elementos no combinados es 0. - El número de oxidación del hidrógeno es +1, excepto en los hidruros que es –1. - El número de oxidación del oxígeno es –2, excepto en los peróxidos que es –1. - En los iones monoatómicos, la carga del ion es el número de oxidación. - En los iones poliatómicos, la suma de las cargas aportadas por los átomos que los constituyen,de acuerdo a su número de oxidación, es igual a la carga del ion. - En compuestos neutros la suma de las cargas aportadas por los átomos presentes, de acuerdo con su número de oxidación, es igual a cero. Kennet W., en Química general, SUHVHQWD HVWD GHÀQLFLyQ ´(O Q~PHUR de oxidación es un concepto formal adoptado por conveniencia. Los números se determinan basándose en ciertas reglas”. Por ejemplo para la reacción:

(OQ~PHURGHR[LGDFLyQGHOPDJQHVLRYDUtDGHDHOGHOR[tJHQRGH 0 a –2.

115

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En algunas reacciones, al hacer el cálculo resultan números de oxidación fraccionarios, lo cual no indica que se tengan cargas fraccionarias ni que los átomos se dividen. Aunque el modelo de trabajo funciona en general, deja algunas dudas, lo cual ha generado discusiones y diversos puntos de vista en cuanto a las reacciones de oxidación reducción y el número de oxidación (34), (35), (36). Por ejemplo, en la molécula biatómica de cloro (Cl2), la electronegatividad es igual para los dos átomos y, por tanto, no puede hablarse de SpUGLGDGHHOHFWURQHVSRUHVRVXQ~PHURGHR[LGDFLyQHV3HURVLOD unión es entre átomos de diferentes elementos, el de mayor electronegatividad tiende a apropiarse de los electrones de la unión. Para la determinación del número de oxidación, se “asume o supone” que esa apropiación es total (lo cual no es cierto) para generar carga positiva sobre el átomo que pierde electrones y carga negativa sobre el que los gana. Por ejemplo, en la reacción de formación del agua a partir de sus elementos, descrita por la ecuación

En la representación semiestructural del agua, cada rayita representa XQSDUGHHOHFWURQHVDVtHOQ~PHURGHR[LGDFLyQGHOR[tJHQRHV²SRUque “gana” dos electrones respecto del O2(g), (el número de protones en el ion es menor que el número de electrones) y el número de oxidación de cada hidrógeno es +1 por “pérdida” de un electrón. La base de este proceso es la asignación de los electrones de la unión al elemento con mayor electronegatividad. La oxidación puede describirse como la pérdida de electrones (real o supuesta), y la reducción como la ganancia de electrones (real o supuesta). Es posible, representar el cambio en el número de oxidación en un diagrama lineal.

116

LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

En conclusión, se acepta que una reacción de oxidación reducción ocuUUHFXDQGRVH´LGHQWLÀFDµXQDSpUGLGD\JDQDQFLDGHHOHFWURQHVHQODV especies reaccionantes, lo cual lleva asociada una variación en el número de oxidación, ya sea de un elemento puro o formando parte de un compuesto. Por ejemplo, en la reacción

el número de oxidación del manganeso en el permanganato es + 7, mientras que en el producto de la reacción se encuentra como ion con número de oxidación + 2. De acuerdo con el diagrama, se presenta una reducción correspondiente a la ganancia de 5 electrones. Veamos otro HMHPSORHOGHOLRQVXOÀWR6232-).

(OQ~PHURGHR[LGDFLyQGHOD]XIUHHQHOLRQVXOÀWRHVSHURHQHOSURducto de la reacción se encuentra formando parte del ion sulfato, con número de oxidación + 6. De acuerdo con el diagrama, se presenta una oxidación correspondiente a la pérdida de dos (2) electrones. Están planteadas dos reacciones: la primera, una semirreacción de reGXFFLyQ OD VHJXQGD GH R[LGDFLyQ /D UHDFFLyQ WRWDO VHUi OD VXPD GH estas dos, previa la igualación de los electrones ganados y perdidos, multiplicando cada semirreacción por el factor correspondiente que iguala la pérdida a la ganancia de electrones. Hemos hecho una aproximación a las reacciones de oxidación reducción para tener los elementos para analizar la experiencia propuesta e intentar dar respuesta a los interrogantes planteados.

ANÁLISIS DE LA EXPERIENCIA Si analizamos el sistema utilizado en la demostración experimental, las burbujas son de hidrógeno elemental (número de oxidación 0), cuya única fuente es el ácido clorhídrico donde se encuentra en estado de oxidación +1, lo cual implica que se ha sometido a una reducción a expensas del zinc, que se ha oxidado. Las semirreacciones correspondientes son:

117

DAGOBERTO CÁCERES ROJAS - JOSÉ A. MUÑOZ CASTILLO

Oxidación:

Zn(s) - 2e-

Reducción:

+ 2 H(ac) + 2e-

Znac2+ H2(g)

El cobre no genera una reacción similar, lo cual puede interpretarse como que no tiene capacidad para reducir el hidrógeno del ácido. El que haya o no reacción se puede comprobar mediante pruebas químiFDVGHLGHQWLÀFDFLyQGHOLRQ]LQF=Q2+) y del ion cobre (Cu2+). El primero VHSUHFLSLWDFRPRKLGUy[LGRGH]LQF,, DODGLFLRQDUXQDEDVHSHURQRVH precipita el hidróxido de cobre (II). Al conectar el zinc o magnesio con el cobre y sumergir el conjunto en ODVROXFLyQGHiFLGRFORUKtGULFRVREUHODVXSHUÀFLHGHOFREUHVHIRUPDQ burbujas, lo cual implica que el ion hidrógeno toma electrones de este metal. ¿De dónde vienen estos electrones? La respuesta es inmediata, del zinc o magnesio, lo cual queda demostrado cuando, al terminarse el magnesio, cesa la producción de hidrógeno sobre el cobre. El zinc o el magnesio, al oxidarse, “liberan” electrones que pueden trasportarse por el circuito externo hacia el cobre, donde son tomados por el ion hidrógeno. El montaje realizado es una pila elemental puesto que se ha generado XQÁXMRGHHOHFWURQHVSRUXQFLUFXLWRPHWiOLFRODFRQH[LyQHQWUHORVGRV metales). Un análisis más detallado de la experiencia se encuentra en Francisco y Susan (37), (38). Antes de abordar el tema de las pilas, es oportuno mencionar las reacciones de oxidación reducción en el campo de la química orgánica y de la bioquímica, puesto que la asignación del número de oxidación sobre los átomos de carbono da lugar a confusión. Sin embargo, se han GHVDUUROODGRUHJODVVLPSOHVSDUDODDVLJQDFLyQ WDOYH]XQDGHODV más importantes es la que dice que el número de oxidación del átomo de carbono se determina teniendo en cuenta el número de uniones con oxígeno o nitrógeno y restándole el número de enlaces con el hidrógeno. Un ejemplo típico presentado por Amy y James (40) es la oxidación de un alcohol secundario a cetona. Aplicando la regla mencionada, el nú-

118

LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

mero de oxidación sobre el carbono del alcohol secundario es 0 y sobre la cetona es + 2, lo cual implica que se oxidó a expensas de un oxidante que recoge o captura los electrones “liberados”. Estas reglas facilitan el trabajo respecto de la otra mirada a estos procesos que resume Jean Pierre Anselme (41) cuando plantea que oxidación puede llamarse “deKLGURJHQDFLyQDGLFLyQGHR[tJHQRRSpUGLGDGHKLGUyJHQRHQWDQWRTXH reducción se asocia a hidrogenación, pérdida de oxígeno o adición de hidrógeno”.

QUÍMICA Y ELECTRICIDAD: PILAS &XDQGRVHHVWXGLDQODVUHDFFLRQHVTXtPLFDVVHFODVLÀFDQHQYDULRVJUXSRVXQRGHORVFXDOHVVRQODVUHDFFLRQHVGHGHVSOD]DPLHQWRTXHVLHPpre son de oxidación reducción. Una experiencia típica de este tipo de reacciones consiste en introducir un clavo de hierro (Fe) en una solución de sulfato de cobre (CuSO4). Después de un corto tiempo se nota un deSyVLWRURML]RGHFREUH&X PHWiOLFRVREUHODVXSHUÀFLHGHOFODYRÀJXUD 38. En este sistema, el hierro se oxida (pasa a la solución como Fe2+) y el cobre, que está en la solución como ion Cu2+, pasa a cobre elemental. Para describir este proceso, se plantean dos semirreacciones. OXIDACIÓN:

Fe(s) - 2e-

Fe2+

REDUCCIÓN:

Cu2+ + 2e-

Cu(s)

Los procesos de oxidación reducción siempre van juntos. Reacciones similares y de fácil realización en el aula de clase se resumen en el cuadro siguiente, donde las especies ióniFDVVHHQFXHQWUDQHQVROXFLyQ\VHFRQÀUma su presencia por reacciones químicas SUXHEDVGHLGHQWLÀFDFLyQ  Metal ,RQHQVROXFLyQ 3URGXFWRV

Figura 38

2EVHUYDFLyQ

Mg

Cu2+

Mg2+

Cu

Producción de sólido de color rojizo

Al

Cu2+

Al3+

Cu

Producción de sólido de color rojizo

Zn

Cu

2+

Zn

Cu

Producción de sólido de color rojizo

Ag

Cu

2+

2+

Ag

Cu

2+

No se observa cambio

119

DAGOBERTO CÁCERES ROJAS - JOSÉ A. MUÑOZ CASTILLO Zn

Pb2+

Zn2+

Pb

Producción de sólido metálico brillante

Zn

Fe

Zn

2+

Fe

Formación de un sólido esponjoso

Fe

Ag1+

Fe2+

Ag

Formación de sólido esponjoso

Cu

Ag1+

Cu2+

Ag

Producción de sólido esponjoso

Cu

Mg

2+

2+

Cu

Mg

2+

No hay cambio

NOTA. Cuando se observa la formación de un sólido, este aparece sobre ODVXSHUÀFLHGHOPHWDOTXHHVWiVXPHUJLGRHQODVROXFLyQ De la observación de este cuadro se puede concluir: x El magnesio, aluminio y el zinc desplazan al cobre (II) de la solución. x El zinc desplaza al hierro (II) y al plomo (II) de la solución. x El hierro y el cobre desplazan a la plata (I) de la solución. x La plata no desplaza al cobre (II) de la solución. x El cobre no desplaza al magnesio (II) de la solución. Con base en estos pocos ejemplos, se puede decir que hay elementos que desplazan a otros de sus soluciones y hay casos en que esto no ocurre. Experiencias similares se realizan usando soluciones de plomo (II) o plata (I) y sumergiendo un clavo o alambre de hierro, formando los llamados árbol de Saturno y araña de Júpiter. Volviendo a la demostración inicial, se concluyó que en las reacciones GH R[LGDFLyQ UHGXFFLyQ VH SUHVHQWD XQ ÁXMR GH HOHFWURQHV TXH SXHGH detectarse como una corriente eléctrica, para lo cual se debe tener un sistema que permita hacerlo: las llamadas “celdas voltaicas”, donde mediante un puente salino se cierra el circuito. Mención especial requiere este último componente de las celdas que, en algunos casos, se remplaza por un tabique que separa las dos semiceldas y cumple las mismas funciones del puente salino. En las celdas, sean galvánicas o electrolíticas, el circuito debe cerrarse para que se inicie ÁXMRGHFRUULHQWHHOpFWULFD¢4XpFLUFXODSRUHVWHSXHQWHRWDELTXHVHparador? Se presentan con frecuencia concepciones erradas: que por el puente salino circulan los electrones o que los aniones ayudan al desplazamiento de los electrones por el electrolito.

120

LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

Estas concepciones se deben analizar para llegar a la descripción del papel del puente salino o tabique separador. En las celdas, los electrones ÁX\HQSRUHOFLUFXLWRPHWiOLFRH[WHUQR\ORVLRQHVSRVLWLYRV\QHJDWLYRV se desplazan a través del electrolito y el puente salino para mantener la electroneutralidad del sistema. El puente es un medio para la circulación de los iones y, generalmente, es una solución de agar que contiene solución de sales como el cloruro de potasio (KCl). (Q OD ÀJXUD  VH PXHVtra un esquema de la celda zinc-cobre que consta de un HOHFWURGR de zinc metálico sumergido en una solución que contiene iones zinc (II) (Zn2+)30 y un HOHFWURGR de cobre metálico sumergido en una solución que contiene iones cobre (II) (Cu2+). De acuerdo con la observación realizada y resumida en el cuadro anterior, en la semicelda de la izquierda ocurre la oxidación y en la semicel- Figura 39 da de la derecha ocurre la reducción. El proceso total se describe por las semirreacciones: Oxidación ocurre en el ánodo

Zn(s) -2e-

Zn2+

Reducción ocurre en el cátodo

Cu2++ 2e-

Cu(s)

Reacción total:

Zn(s) + Cu2+

Zn2+ + Cu(s)

Como resultado de la operación de la celda, x El electrodo de zinc metálico pierde masa por el paso de zinc metálico a la solución.

30

Tomando este ejemplo, en adelante la semicelda se escribe siguiendo la notación: Zn/Zn2+(1M) y Cu2+(1M)/Cu. El valor entre paréntesis es concentración molar. La especie reaccionante está a la izquierda de la raya oblicua y la especie producto a la derecha.

121

DAGOBERTO CÁCERES ROJAS - JOSÉ A. MUÑOZ CASTILLO

x El electrodo de cobre metálico gana masa porque el cobre de la solución se deposita sobre él. x El voltímetro da una lectura de voltaje que varía de acuerdo al par de electrodos utilizado. x En una celda voltaica la oxidación se presenta en el ánodo y la reducción en el cátodo. x A partir de una reacción química, se genera una corriente eléctrica con un potencial Eo. x Para que haya reacción química de desplazamiento, uno de los elementos empleados debe estar en capacidad de desplazar al otro de su solución. /DVSLODVVHSXHGHQFODVLÀFDUHQWUHVJUXSRV 1. Primarias (no recargables) 2. Secundarias (recargables) 3. Acumuladores o baterías 6HLGHQWLÀFDQDGHPiVSURFHVRVGHR[LGDFLyQGHUHGXFFLyQFRQGXFFLyQ a través de un electrolito y a través de un circuito externo. Tomando el ejemplo de la pila de Daniel (Zn-Cu), las convenciones establecidas y los procesos presentados, se puede plantear: 1. En el electrodo de zinc se presenta la oxidación, convirtiéndose en una fuente de electrones y es el electrodo negativo o cátodo. /RVHOHFWURQHVÁX\HQSRUHOFLUFXLWRH[WHUQRGHOHOHFWURGRQHJDWLYRDO HOHFWURGRSRVLWLYRRiQRGRHVGHFLUGHO]LQFKDFLDHOFREUH 3. El cobre recibe los electrones y a él se dirigen los iones positivos preVHQWHVHQHOHOHFWUROLWRDOOtWRPDQHOHFWURQHV\VHUHGXFHQ

POTENCIALES DE REDUCCIÓN Hasta este punto la descripción de los sistemas de oxidación reducción ha sido cualitativo con énfasis en la variación del número de oxidación \HOÁXMRGHHOHFWURQHVGHOHOHFWURGRGHGRQGHVHSUHVHQWDODR[LGDFLyQ (ánodo) hacia donde se presenta la reducción (cátodo). Además, se incluye un elemento llamado puente salino, cuyo objeto es completar el circuito y permitir la migración de los iones para mantener la electroneutralidad del sistema.

122

LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

Otro aspecto esencial es el hecho experimental que se presenta: hay casos en los cuales unos elementos desplazan a otros de sus soluciones y en otros casos no hay desplazamiento. Este hecho lleva a plantear otros aspectos que se deben analizar y que conducen al establecimiento de parámetros y sus relaciones. Esto implica cierto nivel de formalización para superar el aspecto meramente descriptivo. (V LPSRUWDQWH SXQWXDOL]DU HO YRFDEXODULR XWLOL]DGR \ VX VLJQLÀFDFLyQ Para ello hacemos uso parcial del esquema propuesto por P.G. Nelson (J. &KHP(GXF ÀJXUD Metales: en general buenos conductores de la electricidad sin que presenten cambio químico. Electrolito: especies en solución que conducen la corriente eléctrica. Ocurre cambio químico en los electrodos de acuerdo con las leyes de Faraday31. Figura 40

6HPLHOHFWUROLWRVHFRPSRUWDFRPRORVHOHFWUROLWRVSHURFRQPHQRUHÀFLHQFLDHVGHFLUSUHVHQWDPD\RUGLÀFXOWDGSDUDHOSDVRGHODFRUULHQWH eléctrica. ¿Qué ocurre si una celda de este tipo se conecta a un voltímetro de resistencia32 muy alta? El potencial (voltaje) medido se hace en condiciones tales que no hay ÁXMRGHFRUULHQWHHOpFWULFDRHVPX\SHTXHxR\SRUFRQVLJXLHQWHQRKD\ UHDFFLyQTXtPLFDHQRWUDVSDODEUDVORVHOHFWURGRVPDQWLHQHQVXPDVD En estas condiciones el sistema está en “equilibrio electroquímico”. Los potenciales medidos para los diferentes pares se designan por Eo y se denominan potenciales normales, (estándar) que ordenados constituyen la Tabla de potenciales de reducción (Serie electromotriz en algunos textos). 31

Véase el aparte correspondiente a las Leyes de Faraday en la página 155.

32

Los conceptos de la física (electricidad) son fundamentales para analizar los aspectos electroquímicos.

123

DAGOBERTO CÁCERES ROJAS - JOSÉ A. MUÑOZ CASTILLO

Por convención, en esta tabla aparecen los procesos de reducción y su potencial Eo correspondiente. Debe tenerse en cuenta que son equilibrios y, por tanto, el valor medido no cambia si la reacción se presenta en sentido contrario (oxidación). Cambia únicamente el signo. Si la celda se deja trabajar hasta que el potencial generado sea igual a cero (V =0), se llega al “equilibrio químico”.

MEDIDA DEL POTENCIAL DE REDUCCIÓN &RPRHQWRGDPHGLGDVHUHTXLHUHXQSDWUyQGHUHIHUHQFLDSDUDHOFDVR es el “electrodo normal de hidrógeno” (en adelante ENH). Básicamente consta de un electrodo metálico (Pt) sumergido en una solución donde la concentración de ion hidrógeno es 1 M y la presión del KLGUyJHQRJDVHRVRHVDWPFRPRVHPXHVWUDHQODÀJXUD El proceso correspondiente se representa por el equilibrio: 2H+ + 2 e-

H2(g)

Al cual se le asigna un potencial igual a cero. Como reacción en equilibrio, puede desplazarse en los dos sentidos, asociados a un proceso de reducción o de oxidación. Figura 41

Oxidación actuando como ánodo.

H2(g) - 2e-

2H1+ Eo = 0,00

Reducción actuando como cátodo.

2H1+ + 2 e-

H2(g)

Eo = 0,00

Para describir el proceso de medida del potencial, podemos partir de XQDFHOGDFRPRODTXHVHPXHVWUDHQODÀJXUD El patrón (electrodo de hidrógeno) constituye la semicelda de la izTXLHUGDODRWUDHVWiFRQVWLWXLGDSRUGLIHUHQWHVPHWDOHVVXPHUJLGRVHQ solución de sus iones correspondientes. Se obtiene así la celda cuyo potencial se lee directamente en el voltímetro y el valor se asigna al electrodo metálico, puesto que el del electrodo de hidrógeno es cero.

124

LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

Como primer ejemplo tomemos el par representado por la notación33 Cu2+(1M)/Cu, conectado a la terminal positiva del voltímetro. Se obtiene la lectura Eo = + 0,34 V. Si el par es I2/I-(1M), la lectura obtenida es Eo = + 0,54 V. Para el par Ag+(1M)/ Ag, el valor de Eo = + 0,80 V. Esto implica que: x En los tres ejemplos, los elecWURQHV ÁX\HQ GH OD VHPLFHOGD fuente de electrones o ánodo Figura 42 que corresponde al electrodo ENH. x La semicelda que recoge estos electrones (cátodo) corresponde al cobre, plata y yodo. x En el ánodo ocurre la oxidación y en el cátodo la reducción. x Las reacciones que ocurren son: Ánodo:

H2(g) - 2 e-

2H+

Cátodo:

Cu2+ + 2 e-

Cu(s)

Ag1+ + 1 e-

Ag(s)

2I1- - 2 e-

I2(s)

Se presenta la posibilidad de que el potencial medido para otros pares sea menor que 0, (Eo < 0) o negativo frente al ENH. Este caso ocurre en pares como Mg2+0 0J)H2+(1M)/Fe y Zn2+(1M)/Zn, con lecturas para EoLJXDOD99\²9UHVSHFWLYDPHQWH(VWRLPSOLFD que: x (QHVWRVWUHVHMHPSORVORVHOHFWURQHVÁX\HQGHODVHPLFHOGDIXHQWH o ánodo que corresponde a los pares metálicos. x La semicelda que recoge estos electrones (cátodo) corresponde al ENH. 33

Esta notación indica que en una solución 1 M de iones cobre (II) se sumerge un alambre o barra de cobre metálico. En este caso, los iones cobre se reducen a cobre metálico.

125

DAGOBERTO CÁCERES ROJAS - JOSÉ A. MUÑOZ CASTILLO

x Las reacciones que ocurren son: Ánodo:

Cátodo:

Zn(s) - 2 e-

Zn2+

Mg(s) - 2 e-

Mg2+

Fe(s) - 2 e-

Fe2+

2H+ + 2 e-

H2(g)

El procedimiento descrito permite plantear una organización o agrupamiento de los diferentes pares o reacciones. Un grupo corresponde a los TXHUHFLEHQHOHFWURQHVGHO(1+\SRUWDQWRVHUHGXFHQHORWURJUXSR corresponde a los que ceden electrones al ENH y, por tanto, se oxidan. La tabla correspondiente presenta los pares y las reacciones correspondientes como un equilibrio, puesto que pueden desplazarse en uno u otro sentido, dependiendo del par acompañante en la celda, como se describirá más adelante. La tabla tiene dos formas de presentación totalmente equivalentes, pero siempre se debe manejar una de ellas para evitar confusiones. Una muestra parcial de esta tabla se muestra a continuación. Potenciales de reducción. Serie electromotriz (42) (OHPHQWR

126

Reacción

- 3,04

Mg2+ + 2 e-

Mg

- 2,92

Al

Al

+ 3e

-

Al

- 1,66

Zn

Zn2+ + 2 e-

Zn

- 0,76

Fe

Fe

+ 2 e-

Fe

- 0,44

Pb

Pb2+ + 2 e-

Pb

- 0,12

+2

+

Cu

Cu2+ + 2 e-

Cu

+ 0,33

I2

I2 + 2 e

2I

-

+ 0,54

Ag

Ag1+ + e-

Ag

+ 0,80

Cl2

Cl2 + 2e-

2 Cl-

+ 1,36

F2

F2 + 2 e-

2 F-

+ 2,87

Li

Mg

+e

3RWHQFLDOHQYROWLRV

Li

Li

1+

3+

2+

1+

-

2 e +2 -

-

REFERENCIA

0,00

LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

Un breve análisis permite plantear algunas conclusiones generales: 1. El valor del potencial está referido al electrodo normal de hidrógeno (ENH). 2. Todos los pares con potencial negativo reducen al ión hidrógeno y se produce hidrógeno gaseoso (H2). En los textos este comportamiento generalmente se expresa diciendo que estos pares desplazan al ion hidrógeno de sus soluciones. 3. Todos los pares con potencial positivo oxidan el hidrógeno gaseoso y se produce ion hidrógeno (H+). En los textos generalmente se dice que estos pares no desplazan el ion hidrógeno de sus soluciones. 4. El litio tiene un potencial negativo y alto, lo cual indica que es una fuente de electrones y su tendencia a oxidarse es alta. (QHORWURH[WUHPRHVWiHOÁ~RUFRQXQSRWHQFLDOGHUHGXFFLyQDOWR\ positivo, lo cual indica que su tendencia a reducirse es alta. ¿Qué sucede cuando en los componentes de la celda no está el electrodo normal de hidrógeno? Como ejemplo tomemos nuevamente la celda Zn-Cu. De acuerdo con la tabla de potenciales de reducción encontramos: Zn2+ + 2 e-

Zn(s) Eo = - 0,76 V

Cu2+ + 2 e-

Cu(s) Eo = + 0,33 V

Según el comportamiento de la celda, las reacciones que ocurren son: Oxidación

Zn(s) - 2 e-

Zn2+

+ 0,76 V

Reducción

Cu2+ + 2 e-

Cu(s)

+ 0,33 V

La reacción total es la suma algebraica de las semirreacciones y sus correspondientes potenciales: Zn + Cu2+

Zn2+ + Cu

+ 1,09 V

El potencial positivo indica que la reacción, como está escrita, es favorable y al construir la correspondiente celda se genera una diferencia de potencial. (QHVWHFDVRHOÁXMRGHHOHFWURQHVYDGHO]LQFiQRGR DOFREUHFitodo).

127

DAGOBERTO CÁCERES ROJAS - JOSÉ A. MUÑOZ CASTILLO

Analizando los valores de la tabla, con su signo correspondiente, se pueden plantear algunas observaciones: 1. La semicelda con valor negativo es el ánodo. Cuanto más alto sea su valor mayor será su tendencia hacia este comportamiento y presentará la oxidación. 2. La semicelda con valor positivo es el cátodo. Cuanto más alto sea su valor mayor será su tendencia hacia este comportamiento y presentará la reducción. 3. De dos semiceldas con potencial negativo, la de mayor valor es el ánodo (oxidación) y la de menor valor es el cátodo (reducción). 4. De dos semiceldas con potencial positivo, la de mayor valor es el cátodo (reducción) y la de menor valor es el ánodo (oxidación). Con estas bases analicemos brevemente algunos casos a partir de la tabla de potenciales de reducción. 1. El litio (Li) tiene un potencial negativo y alto, lo cual indica que su tendencia a oxidarse es la mayor respecto de los demás de la WDEODSRUWDQWRFXDOTXLHURWURSDUTXHVHFRQHFWHSUHVHQWDUiUHducción. (QHORWURH[WUHPRHVWiHOÁ~RU) FRQXQSRWHQFLDOGHUHGXFFLyQDOWR y positivo, lo cual indica que su tendencia a reducirse es la mayor UHVSHFWRGHORVGHPiVGHODWDEODSRUWDQWRFXDOTXLHURWURSDUTXH se conecte presentará oxidación. 3. En una celda con el par aluminio (Al) plomo (Pb), ambos negativos, el aluminio con el mayor valor es el ánodo, donde se presenta la oxidación, y el plomo con menor valor es el cátodo donde ocurre la reducción. 4. Las reacciones de esta celda son: Oxidación

Al(s) - 3 e-

Al3+

Eo = + 1,66 V

Reducción

Pb2+ + 2 e-

Pb(s)

Eo = - 0,12 V

Total

2Al(s) + 3Pb2+

2Al3+ + 3Pb(s)

Eo = + 1,54 V

Es decir, en la celda formada por las semiceldas Al/Al 3+(1M) y Pb2+(1M)/ Pb, al conectarlas se produce una corriente eléctrica que genera un

128

LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

potencial cercano a 1,54 V. Igualmente, si una barra de aluminio se sumerge en una solución que contenga iones plomo (II) se observará la formación de un sólido (Pb) blanquecino sobre la barra de aluminio. Analicemos otro caso. Un alambre o barra de cobre se sumerge en una solución que contiene iones magnesio (II). La única posibilidad que podría plantearse es que el cobre se oxide y el magnesio se reduzca. 1. Las ecuaciones que describirían las semirreacciones son: Oxidación

Cu(s) – 2 e-

Cu2+

Eo = - 0,33 V

Reducción

Mg2+ + 2 e-

Mg(s)

Eo = - 2,92 V

Total

Cu(s) + Mg2+

Cu2+ + Mg(s)

Eo = - 3,25 V

2. El valor negativo de la reacción total planteada indica que esta no se realiza y no se observará cambio alguno, como se indica en el aparte 5 de la página 120. ¿Qué pasa si se monta una celda con estos dos pares? El magnesio tiene un potencial negativo, lo cual indica que su tendencia a oxidarse es mayor que la del cobre con potencial positivo. En este caso, el magnesio es el ánodo y el cobre es el cátodo. El proceso de la celda se representa por las ecuaciones de las semirreacciones correspondientes. Oxidación

Mg(s) – 2 e-

Mg2+

Eo = + 2.92 V

Reducción

Cu2+ + 2 e-

Cu(s)

Eo = + 0,33 V

Total

Mg(s) + Cu2+

Mg2+ + Cu(s)

Eo = + 3,25 V

Al conectar las dos semiceldas, la reacción ocurre y genera un potencial de 3,25 V. Este comportamiento se puede esquematizar siguiendo un camino en ]LJ]DJTXHLQGLFDHOÁXMRHVSRQWiQHRR´QDWXUDOµGHORVHOHFWURQHVHQtre los pares. En los esquemas que se muestran a continuación, el potencial indicado corresponde a la reacción como está escrita. Por ejemplo, para el hierro es – 0,44 V, pero como se oxida en el proceso, el potencial es + 0,44 V. Para el par Fe-I2 el diagrama es:

129

DAGOBERTO CÁCERES ROJAS - JOSÉ A. MUÑOZ CASTILLO

Fe2+ + 2 e-

Fe(s)

Eo = - 0,44 V

oxidación ÁXMRGHHOHFWURQHV reducción

I2(s) + 2 e-

2I-

Eo = + 0,50 V

Fe (s) – 2e-

Fe2+

+ 0,44 V

I2(s) + 2 e-

2I1-

+ 0,50 V

Fe2+ + 2I1-

+ 0,94 V

Suma Fe(s) + I2(s)

Para el par Zn-Pb el diagrama es: Zn2+ + 2 e-

Zn(s)

Eo = - 0,76 V

oxidación ÁXMRGHHOHFWURQHV reducción

Pb2+ + 2 e-

Pb(s)

Eo = - 012 V

Zn(s) – 2e-

Zn2+

+ 0,76 V

Pb2+ + 2e-

Pb(s)

- 0,12 V

Suma Zn(s) + Pb2+

Zn2+ + Pb(s) + 0,64 V

Para el par I2-F2 el diagrama es: I2(s) + 2 e-

2I-

Eo = + 0,50 V

oxidación ÁXMRGHHOHFWURQHV

reducción F2 + 2 e-

130

2F-

Eo = + 2,87 V

LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS 2I1- - 2e-

I2(s)

- 0,50 V

F2(g) + 2 e-

2F1-

+ 2,87 V

I2(s) + 2F1-

+ 2,37 V

Suma 2I1- + F2(g)

El desarrollo del área de química y electricidad ha dado como resultado la determinación de potenciales de reducción para un gran número de semirreacciones tanto en medio ácido como en medio básico. Algunas de ellas (43), en medio ácido o básico, se presentan a continuación. Las semirreacciones y el potencial de reducción se manejan en la misma forma. 6HPLUUHDFFLyQ

Potencial Eo

SO42- H2O + 2e-

SO32- + 2 (OH)-

- 0,93

O2(g) + 2H+ + 2e-

H2O2(ac)

+ 0,68

Fe

+ 0,77

Fe

3+

+ 1e

-

2+

MnO2(s) + 4 H+ + 2 e-

Mn2+ + 2H2O

+ 1,23

Cr2O72- + 14 H+ + 6e-

2 Cr3+ + 7H2O

+ 1,33

MnO41- + 8 H+ + 5e-

Mn2+ + 4 H2O

+ 1,51

2HClO + 2H+ + 1 e-

Cl2 + 2H2O

+ 1,63

Veamos algunos ejemplos. La reacción en medio ácido entre el permanganato de potasio (KMnO4) y una solución de hierro(II) se describiría: Fe3+ + 1 e-

Fe2+

Eo = + 0,77 V

oxidación ÁXMRGHHOHFWURQHV reducción

MnO41- + 8H+ + 5 eFe2+ - 1eMnO41- + 8H+ + 5eSuma 5Fe2+ + MnO41- + 8H+

Mn2+ + 4H2O

Eo = + 1,51 V

Fe3+

- 0,77 V

Mn2+ + 4H2O

+ 1,51 V

5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O + 0,74 V

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Para la reacción entre dióxido de manganeso (IV) y ácido hipocloroso las semirreacciones son: MnO2(s) + 4H+ + 2 e-

Mn2+ + 2H2O Eo = + 1,23 V

oxidación ÁXMRGHHOHFWURQHV reducción

2HClO(ac) + 2H+ + 2 e-

Cl2(g) + 2H2O Eo = + 1,63 V Mn2+ + 2H2O – 2e-

MnO2(s) + 4H+

- 1,23 V

2HClO(ac) + 2H+ + 2e-

Cl2(g) + 2H2O + 1,63 V

Suma Mn2+ + 2HClO(ac)

MnO2(s) + Cl2(g) + 0,40 V

En los dos casos anteriores, la reacción total tiene un potencial positivo, ORFXDOLQGLFDTXHVHUHDOL]DFRPRHVWiGHVFULWRHVGHFLUHQHOSULPHU caso el hierro (II) se oxida a hierro (III) y el permanganato de potasio se reduce a manganeso (II). En el segundo caso, el manganeso (II) se oxida a manganeso (IV) y el cloro del ácido hipocloroso se reduce a cloro gaseoso. Con esta información dada en la tabla de potenciales de reducción, se pueden plantear reacciones y establecer si son favorables o no. Por ejemplo, las observaciones realizadas en una demostración de aula de clase, o experiencia en el laboratorio (44), en la que el cloro gaseoso actúa como oxidante pueden explicarse a partir de los valores de potencial de reducción de las semirreacciones que se planteen. Como el cloro es una especie química que debe manejarse con especial cuidado, en esta experiencia se utiliza una caja de Petri o recipiente de fondo ancho y poca altura, con cantidades muy pequeñas de este elemento y en un espacio prácticamente cerrado. La base del trabajo de laboratorio es producir cantidades pequeñas de cloro gaseoso a partir de unas gotas de blanqueador de uso doméstico colocada en el centro de la caja de 3HWULDOGLIXQGLUVHUHDFFLRQDFRQHVSHFLHVTXtPLFDVHQVROXFLyQTXHSUHviamente se han colocado a su alrededor. Para realizar la experiencia se colocan las gotas del blanqueador en el centro de una de los recipientes GHODFDMDGH3HWULRIUDVFREDMRGHIRQGRDQFKRVHXELFDQODVJRWDVGH solución de las otras especies químicas a su alrededor hacia la periferia GHOUHFLSLHQWHFRPRVHPXHVWUDHQODÀJXUD/XHJRVHDGLFLRQDQDO

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LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

blanqueador dos gotas de solución de ácido sulfúrico 1 M y se tapa de inmediato con la otra parte de la caja de Petri o tapa que ajuste con el frasco que se use, y se observa qué ocurre. En general los blanqueadores domésticos a base de hipoclorito de sodio (NaOCl) se obtienen a partir de Cl2(g) que se burbujea a través de una solución de hidróxido de sodio (NaOH). Con los elementos descritos, se puede analizar este proceso y plantear las semirreacciones correspondientes. En la tablas de potencial de reducción encontramos:

Figura 43

2ClO1- + 2H2O + 2 e-

Cl2(g) + 4(OH-)

Eo = + 0,40 V

oxidación ÁXMRGHHOHFWURQHV reducción

Cl2(g) + 2 e-

2Cl-

Eo = + 1,39

De acuerdo a esto las semirreacciones que se pueden plantear son: Oxidación

Cl2(g) + 4(OH-) - 2 e-

2ClO- + 2H2O

Eo = - 0,40 V

Reducción

Cl2(g) + 2 e-

2Cl-

Eo = + 1,39 V

Total

Cl2(g) + 2NaOH(ac)

NaCl(ac) + NaOCl(ac) + H2O(l) Eo = + 0,99 V

Indicativo de que la reacción se lleva a cabo tal como está planteada. El paso siguiente es la descomposición del hipoclorito por el medio ácido para producir el cloro en la experiencia que se ha descrito. En la solución del blanqueador están presentes los iones cloruro (Cl-) y los iones hipoclorito (ClO-) en posibilidad de producir cloro. En las tablas encontramos las semirreacciones:

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Cl2(g) + 2 e-

2Cl-

Eo = + 1,36 V

oxidación ÁXMRGHHOHFWURQHV reducción

2ClO- + 4H+ + 2 e-

Cl2(g) + 2H2O(l)

Eo = + 1,63 V

De acuerdo con el valor de los potenciales de reducción de las semirreacciones, la oxidación se presenta en el ion cloruro (Cl-) y la reducción en el cloro del ion hipoclorito (ClO-). Oxidación

2 Cl- - 2 e-

Cl2

- 1,36 V

Reducción

2 HClO + 2H+ + 2 e-

Cl2 + 2 H2O

+ 1,63 V

Total

2 HClO + 2 Cl- + 2H+

2Cl2 + 2 H2O

+ 0,27 V

Esto indica que el proceso se lleva a cabo como está planteado y explica la producción de cloro gaseoso al adicionar a solución de blanqueador gotas de solución de ácido sulfúrico, como se describe en la experiencia. Las demás reacciones del trabajo experimental propuesto se pueden plantear de manera similar y calcular el valor de potencial. Si éste es positivo, ODUHDFFLyQHVIDYRUDEOHVLHVQHJDWLYRODUHDFFLyQQRVHUHDOL]DUi Para la experiencia indicada se pueden utilizar otros montajes con reFLSLHQWHVGHPDWHULDOSOiVWLFR6REUHODWDSDVHSHUIRUDXQRULÀFLRSDUD acoplar la jeringa que contiene el ácido o blanqueador, como se muestra HQODÀJXUDGRQGH$%&\'VRQVROXFLRQHVGHSUXHED

Figura 44

Como un ejemplo más se puede analizar la reacción entre el permanganato de potasio y el peróxido de hidrógeno. La información pertinente se encuentra en los cuadros de potenciales de reducción presentados.

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LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

PILAS O CELDAS VOLTAICAS Hemos hecho un paréntesis para trabajar algunos aspectos de las reacciones de oxidación reducción, que aportan bases para analizar las pilas comenzando por la común, llamada pila de Leclanché con un potencial aproximado de 1,5 V. Si se ha tenido la oportunidad de desbaratar una pila común en el laboratorio del colegio, se encuentran varios componentes que podemos describir de dentro hacia fuera tomando como base el diagrama de ODÀJXUD

Figura 45

 (OHFWURGR RFiWRGRGHJUDÀWR(QHVWHHOHFWURGRRFXUUHODUHGXFción. - Pasta negra y húmeda que contiene dióxido de manganeso (MnO2), graÀWR& FORUXURGHDPRQLR1+4Cl) y agua (H22 HVHOHOHFWUROLWR34. - Un recubrimiento de papel. - Envoltura externa de zinc (Zn) que actúa como ánodo. En este electrodo se presenta oxidación. (QHVWDSLODHO]LQFGHODHQYROWXUDVHR[LGDORVHOHFWURQHVÁX\HQSRU el circuito externo y llegan al cátodo de carbono (inerte) sobre el cual se presenta el proceso de reducción del dióxido de manganeso. En este proceso los autores presentan al menos tres posibilidades para el proceso de reducción. Las reacciones correspondientes son: Oxidación

Zn(s) - 2 e-

Reducción

2MnO2(s) + 2 NH4+ + 2 eMnO2(s) + 4 NH4+ + 2 eNH4+ + 2 e-

34

Zn2+ Mn2O3(s) + 2NH3(g) + H2O Mn2+ + 4 NH3(g) + 2H2O 2NH3(g) + H2(g)

Medio de conducción de electricidad. Puede ser una sal fundida o soluciones de compuestos.

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En las dos primeras reacciones de reducción, se elimina el amoniaco gaseoso por reacción con el ion Zn2+ de acuerdo con la reacción: Zn2+ + NH3(g)

Zn(NH3)42+

donde, mediante la formación del ion complejo de zinc y amoniaco, se retira del sistema el amoniaco gaseoso. En la tercera reacción de reducción, el hidrógeno gaseoso se elimina mediante la reacción H2(g) + 2 MnO2

2 MnO(OH)

DURACIÓN DE LAS PILAS Las pilas tipo Leclanché constituyeron una de las familias más antiguas, pero comercialmente importantes. Con el tiempo se ha generado una continua evolución en su construcción, pero los componentes básicos son los mismos. Desde sus comienzos, un factor determinante está relacionado con la calidad del dióxido de manganeso (IV) (MnO2) que conWULEX\HDODHÀFLHQFLDGHODSLODFRQHOFRQVLJXLHQWHLQFUHPHQWRHQHO costo. /D PHMRU HÀFLHQFLD HVWi UHODFLRQDGD FRQ OD DGLFLyQ GH PD\RUHV FDQtidades de cloruro de zinc (ZnCl2) en remplazo del cloruro de amonio (NH4Cl). Las pilas conocidas como alcalinas cambian un tanto su estructura. El ánodo sigue siendo de zinc, pero tiene una estructura que presenta ma\RUVXSHUÀFLHGHFRQWDFWRHOFiWRGRVHXELFDVREUHODSDUHGLQWHULRUGH la celda y sus componentes están altamente compactados. El electrolito es una solución de hidróxido de potasio con pequeñas cantidades de óxido de zinc (II) (ZnO). Un ejemplo de reacción de descarga de una celda alcalina es: Oxidación (ánodo) Zn(s) + 2(OH-) – 2e-

Zn(OH)2(s)

0,76 V

2 MnO(OH)(s) + 2(OH-)

0,50 V

Reducción (cátodo) 2MnO2(s) + 2H2O(l) + 2eEl voltaje total de la pila es 1,26 V.

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LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

NOTA. Según anota T. Moeller (45) el manganeso (III), ion mangánico, es inestable en solución acuosa respecto a la reacción de desproporcionamiento35: 2Mn3+ + 2H2O

MnO2 + Mn2+ + 4H+

pero el hidróxido, frecuentemente en forma de MnO(OH), es estable. En conclusión, puede decirse que la duración de una pila depende en general de factores como: - El tratamiento previo al que se somete el dióxido de manganeso (IV). - De la masa del cátodo. Las pilas tienen dimensiones externas similares pero la masa de sus componentes varía, y en algunos casos signiÀFDWLYDPHQWHORFXDOVHUHÁHMDHQHOUHQGLPLHQWRGHODSLOD - Por las características de su construcción, este tipo de pilas no es recargable, es decir, no se pueden invertir las reacciones en los electrodos. Otro tipo de pilas son las recargables, como la de níquel-cadmio. En ellas, el ánodo es de cadmio y el cátodo es óxido de níquel (IV), NiO2(s). Las reacciones de descarga de esta pila son: Oxidación (ánodo) Cd(s) + 2(OH-) - 2e-

Cd(OH)2(s)

0,81 V

NiO2(s) + 2H2O(l) + 2e-

Ni(OH)2(s) + 2(OH-)

0,49 V

Cd(s) + NiO2(s) + 2H2O(l)

Cd(OH)2(s) + Ni(OH)2(s)

1,30 V

Reducción (cátodo)

Total

Las pilas níquel-cadmio (NICAD) son reversibles porque pueden tener muchos ciclos carga-descarga en los que se generan los reactivos originales haciendo pasar una corriente eléctrica a través de la celda en GLUHFFLyQRSXHVWDDOÁXMRGHGHVFDUJDGHFRUULHQWH 35

Desproporcionamiento: reacción en la cual un ion o elemento presente en una especie se oxida y se reduce simultáneamente.

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Otro tipo de generadores de energía son las baterías o acumuladores. Uno de los más generalizados es el acumulador de plomo, que consta de electrodos formados por placas de plomo (ánodo) y de óxido de plomo (IV), PbO2 (cátodo). El electrolito es una solución de ácido sulfúrico al 40% y densidad aproximada de 1,30 g/mL. Las reacciones químicas correspondientes a la descarga son: Oxidación (ánodo) Pb(s) + SO42- - 2e-

PbSO4(s)

0,36 V

PbSO4(s)+ 2H2O

1,68 V

2PbSO4(s) + 2H2O

2,04 V

Reducción (cátodo) PbO2(s) + 4H+ + SO42- + 2eTotal Pb(s) + PbO2(s) + 4H+ + 2SO42Sobre este sistema se puede decir: 1. Al oxidarse el plomo metálico (Pb) a ion plomo Pb2+, pasa a la solución y forma el sulfato de plomo (II), PbSO4. 2. Los electrones liberados por el plomo pasan por el circuito externo KDFLDHOHOHFWURGRGHy[LGRGHSORPR,9 DOOtHOSORPRGHOy[LGRVH reduce a ion plomo (Pb2+) y forma el sulfato de plomo (II). 3. Cada par Pb-PbO2 genera un potencial de aproximadamente 2 V. La batería común tiene 6 celdas de este tipo y produce un potencial de 12 V. 4. Durante la carga se somete a un potencial superior a 2 V mediante una corriente en sentido contrario a la descarga, regenerándose los electrodos. Hasta este punto se ha hecho una breve descripción de procesos de producción de corriente eléctrica a partir de reacciones químicas. Es posible también inducir cambios químicos a partir de una corriente eléctrica (ya se mencionó en el proceso de carga de una batería), son las llamadas “celdas electrolíticas”. Estas constan fundamentalmente de: - Fuente de corriente directa - Dos electrodos: ánodo y cátodo - Dos celdas o espacios para ubicar los electrodos

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LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

- Un electrolito donde se sumergen los electrodos - Conexiones y alambre para un circuito externo. El electrodo conectado a la terminal negativa (-) de la fuente es el cáWRGRHOHOHFWURGRFRQHFWDGRDODWHUPLQDOSRVLWLYDGHODIXHQWHHVHO iQRGRDVtODVHVSHFLHVLyQLFDVSUHVHQWHVHQHOHOHFWUROLWRPLJUDUiQKDFLD los electrodos según la carga que soportan. En el ánodo se presentará la oxidación y en el cátodo la reducción de las especies químicas correspondientes.

CELDAS ELECTROLÍTICAS Una experiencia clásica en este campo es la electrólisis del agua, que se realiza con el montaje conocido como “voltámetro de Hofman”, esquePDWL]DGRHQODÀJXUD(OHOHFWUROLWRHVXQDVROXFLyQGHiFLGRVXOI~ULFR 1 M. se dispone además de una fuente de corriente directa donde se LGHQWLÀFDXQDWHUPLQDOSRVLWLYD\XQDWHUPLQDOQHJDWLYD En este caso la electricidad viene de fuera de la celda donde el electrodo QHJDWLYRFiWRGR HVULFRHQHOHFWURQHVVREUHpVWHVHUHDOL]DODUHGXFFLyQ GHOKLGUyJHQR(OHOHFWURGRSRVLWLYRiQRGR HVGHÀFLHQWHHQHOHFWURQHV en éste se realiza la oxidación del oxígeno. El ácido sulfúrico (fuerte) en solución se disocia según la reacción descrita por la ecuación: H2SO4(ac)

2H+ + SO42-

Por tanto, los iones hidrógeno provendrán del ácido y del agua (en mínima proporción). Estos iones se desplazarán hacia el cátodo (-) donde se reducen a hidrógeno gaseoso, que se detecta por la formación de burbujas de hidrógeno. 2H+ + 2e-

Figura 46

H2(g)

Los otros iones presentes son el hidroxilo (OH-), proveniente del agua, y el sulfato (SO42-), proveniente del ácido. Estos iones migran hacia el ánodo donde se pueden oxidar de acuerdo a las reacciones descritas por las ecuaciones:

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2 H2O - 4e-

4 H+ + O2(g)

-1,23 V

2SO42- - 2e-

S2O82-

- 2,00 V

De acuerdo con los potenciales, el agua se oxida más fácilmente que el ion sulfato (SO42- ORFXDOVHFRQÀUPDSRUODIRUPDFLyQGHEXUEXMDVGH oxígeno. La reacción total es la descomposición del agua: 2H2O(l)

2H2(g) + O2(g)

Se aprecia que se produce el doble36 de volumen de hidrógeno respecto del volumen de oxígeno. NOTA. En instituciones donde no se dispone de un voltámetro de Hofman, los profesores y alumnos han construido montajes con materiales disponibles y han encontrado remplazo para el platino (Pt) en cuchillas de afeitar de las máquinas desechables, como electrodos, con buenos resultados. Otra experiencia clásica es la electrólisis en que el electrolito es una sal, como el sulfato GHFREUH,, \ORVHOHFWURGRV llamados inertes son de platiQR3W \JUDÀWR& 8QHVTXHma del montaje se muestra en ODÀJXUD Las reacciones posibles son: Ánodo: hacia este electrodo migran el ion hidroxilo (OH-) y Figura 47 el ion sulfato (SO42-). Como se analizó, en la electrólisis del agua se oxida el ion hidroxilo con la formación de oxígeno gaseoso y agua. 4OH- - 4e-

36

O2(g) + 2H2O(l)

Esta observación es una buena base para analizar aspectos estequiométricos, número de Avogadro, volumen y su relación con el número de partículas.

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LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

Cátodo: hacia este electrodo migran los iones positivos: el hidrógeno H+ y el Cu2+. Las ecuaciones que describen los procesos de reducción correspondientes son: 2H+ + 2e-

H2(g)

0,00 V

Cu2+ + 2e-

Cu(s)

0,34 V

De acuerdo con los valores del potencial de reducción, el ion cobre Cu2+ acepta más fácilmente los electrones que el ion hidrógeno H+SRUWDQWR sobre este electrodo se depositará cobre metálico. Como conclusión de este proceso electrolítico se observa la formación de un depósito (recubrimiento) de cobre sobre el electrodo negativo (cátodo) y la producción de burbujas de oxígeno gaseoso sobre el electrodo positivo (ánodo). Hasta este punto, la descripción de las reacciones que ocurren en los procesos planteados se ha centrado en el aspecto eléctrico del potencial como uno de los criterios para establecer si un proceso es factible de ocurrir o no, como en la generación de electricidad a partir de reacciones químicas. Igualmente, se ha hecho un breve análisis de transformaciones químicas inducidas por una corriente eléctrica. Desde otro punto de vista, hemos llegado a la conclusión que las celdas electroquímicas forman un sistema en el que se genera energía que podemos utilizar para realizar un trabajo determinado, como mover un carrito de juguete, encender un radio, encender una linterna y un buen número de dispositivos de uso diario o especializado. Si nos ubicamos en este contexto, cuando hablamos de energía y sus transformaciones entramos en el campo de la “termodinámica”, que además de describir los sistemas desde su punto de vista particular, proporciona una serie GHKHUUDPLHQWDVTXHSRGHPRVOODPDUIXQFLRQHVeVWDVVHLGHQWLÀFDQFRQ términos que seguramente has escuchado. Se tendrá la oportunidad de trabajar posteriormente en este campo cuando se analice el tema de la energía, sus transformaciones, los procesos y su dirección natural. Algunos de estos términos y funciones son sistema, alrededores, universo, energía, entalpía, entropía, energía libre. Las funciones termodinámicas están enmarcadas dentro de sus “leyes” y proporcionan elementos para dar una explicación del mundo físico que nos rodea. Son las llamadas leyes de la termodinámica, que indudablemente contribuyen a la descripción del comportamiento de las celdas electroquímicas.

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Por las características e importancia de estas funciones, merecen un FDStWXORHVSHFtÀFRSDUDVXDQiOLVLV\DSOLFDFLRQHVVLHQGRXQDGHHVWDV las celdas electroquímicas. NOTA. Es oportuno hacer referencia nuevamente a una confusión que se presenta con mucha frecuencia y que la mayoría de las veces no se DFODUDVXÀFLHQWHPHQWH (OiQRGRHVGHÀQLGRFRPRHOHFWURGRSRVLWLYR\HOFiWRGRFRPRHOHFWURGR QHJDWLYR6LDSOLFDPRVHVWDVGHÀQLFLRQHVDODFHOGD]LQFFREUHHO]LQFVH LGHQWLÀFDFRPRHOiQRGR\HOFREUHFRPRHOFiWRGR6LQRVWUDVODGDPRV DODFHOGDFRUUHVSRQGLHQWHYHUSiJ VHUHSUHVHQWDHOÁXMRGHHOHFtrones del zinc hacia el cobre. Aquí pueden surgir algunas inquietudes, como lo anota Helen Al-Saudi (46), además de una serie de concepciones erróneas, como lo describen con gran detalle Sanger y Greenbowe (47). Algunas son: - ¿Cómo se explica que los electrones (de carga negativa) dejan o abandonan un sitio positivo?  ¢&yPRVHH[SOLFDTXHORVHOHFWURQHVFDUJDQHJDWLYD ÁX\DQKDFLDXQ sitio negativo? Para aclarar, al menos estos dos interrogantes, es pertinente separar la celda galvánica en dos partes: una externa al electrolito, que llamamos circuito externo, donde la conducción de la corriente eléctrica se hace DWUDYpVGHXQPHWDO\VHSUHVHQWDFRPRXQÁXMRGHHOHFWURQHVXQDLQWHUQDHOHOHFWUROLWRGRQGHVHSUHVHQWDHOÁXMRGHLRQHVGHVGHRKDFLD los electrodos para mantener la electroneutralidad del sistema. Por las características redox del par zinc-cobre, en la celda mencionada, el zinc metálico (ánodo) pasa a la solución como ion zinc (II) y el ion cobre (II) se deposita como cobre metálico sobre el electrodo de cobre (cátodo). x No es que el electrón abandone un sitio positivo en el ánodo, sino que al liberar los electrones se forma el ion zinc (II). En otras palabras, este electrodo es una fuente de electrones. x El electrodo de cobre (cátodo) es un receptor de electrones y, por tanto, los tiene disponibles para que los iones cobre (II) presentes en la solución los tomen y reduzcan a cobre metálico. x 3RUODVFDUDFWHUtVWLFDV GHO SDU]LQFFREUH HO ÁXMR´HVSRQWiQHRµ GH electrones por el circuito externo genera la corriente eléctrica y la diferencia de potencial correspondiente medida en el voltímetro.

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En la celda electrolítica también se distinguen dos partes: una externa constituida por un generador de corriente directa y un circuito metálico SDUDKDFHUODOOHJDUDORVHOHFWURGRV(VWHJHQHUDGRUSURPXHYHHOÁXMR de electrones del ánodo hacia el cátodo. Una interna, constituida por los electrodos y el electrolito, donde la oxidación ocurre en el ánodo TXHOLEHUDHOHFWURQHVeVWRVÁX\HQSRUHOFLUFXLWRH[WHUQR\HOPHWDOGHO ánodo pasa a la solución como iones o especies gaseosas. La reducción se presenta en el cátodo que, al ser el receptor de los electrones, los aporta para que iones presentes en la solución se reduzcan y depositen sobre este electrodo. En el ejemplo de la electrólisis del sulfato de cobre (II), la oxidación del ion hidroxilo se presenta en el ánodo y se proGXFHR[tJHQRJDVHRVRHQHOFiWRGRVHSUHVHQWDODUHGXFFLyQGHORVLRQHV cobre presentes en la solución que se depositan sobre el electrodo.

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CAPÍTULO 6 APLICACIONES DE LOS PROCESOS ELECTROLÍTICOS Son muy variadas y numerosas. Van desde recubrimientos y protección contra la corrosión, producción industrial de elementos y compuestos KDVWDODJHQHUDFLyQGHFRORUHV\WH[WXUDVGHODVVXSHUÀFLHVPHWiOLFDV Analizaremos brevemente las más comunes: -

Producción de cloro gaseoso (Cl2(g)). Producción de hidróxido de sodio (NaOH). Producción de aluminio (Al). Protección contra la corrosión Recubrimientos: dorado, plateado, cromado, niquelado.

INTRODUCCIÓN Cada día son más numerosas las aplicaciones de la electroquímica en procesos de producción como cloro (Cl2), hidróxido de sodio, recubriPLHQWRVSURWHFWRUHVREWHQFLyQGHPHWDOHVFRPR]LQF=Q FREUH&X  FREDOWR&R FDGPLR&G SODWD$J RUR$X REWHQFLyQGHFRPSXHVtos como hipoclorito de sodio (NaOCl), cloratos (ClO3-), yodatos (IO3-), peróxido de hidrógeno (H2O2), ácido ascórbico (vitamina C), antraquinona (C6H4(CO2)2C6H4 QDLORQ(VWRVSURFHVRVTXHVHSRGUtDQFODVLÀFDU como de electrosíntesis, tienen la ventaja de ser más limpios que los procesos basados en reacciones químicas tradicionales. En este caso, OLPSLRVHUHÀHUHDORVFRQWDPLQDQWHVJHQHUDGRVSRUUHDFFLRQHVSDUDOHODV y subproductos. Sin embargo, son procesos complejos por diversos aspectos, como poWHQFLDOÁXMRGHFRUULHQWHGLVHxRGHFHOGDV\FRVWRV+R\HQGtDHQWUH los numerosos procesos de electrosíntesis se destacan, por el volumen de producción, la obtención de cloro, hidróxido de sodio, aluminio y recubrimientos protectores de la corrosión.

ELECTROSÍNTESIS PARA OBTENCIÓN DE CLORO Este proceso, que es una fuente de cloro, genera simultáneamente hiGUy[LGRGHVRGLR(VWRVSURGXFWRVVRQGHDPSOLDDSOLFDFLyQLQGXVWULDOHO primero por su propiedad oxidante y blanqueadora, por la producción de

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cloruro de vinilo (CH2-CHCl-CH2-CHCl-CH2-CHCl) que al polimerizarse37 se obtiene el conocido PVC. El hidróxido de sodio se usa en la producción de pulpa de papel, textiles y vidrio (48). /DÀJXUDPXHVWUDORVHOHPHQWRVEiVLFRVGHODFHOGDSDUDODSURGXFción de cloro gaseoso (Cl2(g)) e hidróxido de sodio (NaOH). El electrolito es una solución acuosa “concentrada” de cloruro de sodio (NaCl), donde están presentes iones sodio (Na+), agua (H2O) y cloruro (Cl-). Los electrodos son de rutenio o platino-iridio. En este punto se debe mencionar brevemente otro facWRUTXHLQÁX\HHQHOYROWDMH Figura 48 que se debe aplicar a una celda electrolítica para obtener los productos deseados. Este factor es HO´VREUHYROWDMHµSXHVWRGHPDQLÀHVWRHQHOKHFKRGHTXHODVFHOGDV requieren la aplicación de un voltaje mayor que el calculado por la tabla de potenciales para que el proceso se realice en dirección contraria a la favorable. Por ejemplo, en la celda Zn-Cu, ya mencionada, el proceso que se favorece lleva a la oxidación del zinc y la reducción del cobre. Es posible lograr que el proceso se lleve a cabo en la dirección contraria mediante una fuente de corriente externa. El sobrevoltaje tiene diferentes causas: procesos de disolución del metal, deposiciones sobre los electrodos, producción de gases. También es importante la resistencia del electrolito al paso de la corriente, lo cual origina una caída de potencial. Las especies con posibilidad de oxidarse se pueden describir por las semirreacciones: O2(g) + 4H+ + 4 eCl2(g) + 2 e 37

-

2H2O

Eo = + 1,23 V

2Cl-

Eo = + 1,39 V

Polimerización: proceso para obtener polímeros, que son macromoléculas formadas por la unión de moléculas sencillas (monómeros).

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Para la primera semirreacción ocurre un sobrevoltaje que eleva el potencial hasta cerca de 1,65 V. Esta situación no se presenta en el caso GHOFORURSRUHVRDOSDVDUODFRUULHQWHHOpFWULFDVHVXSHUDSULPHURHO potencial para la producción de cloro gaseoso. Este es el producto de oxidación en la celda. Para el caso de los procesos de reducción, las posibilidades son: Na+ + 1 e

-

2H2O + 2 e-

Na(s)

Eo = - 2,71 V

H2(g) + 2(OH-)

Eo = - 0,84 V

Los valores y su signo indican que la reducción se presenta en el ion hidrógeno produciendo hidrógeno gaseoso. En conclusión, las semirreacciones que ocurren son: Ánodo Cátodo Total

2 Cl- - 2e2 H 2O + 2 e 2NaCl + 2H2O

Cl2(g)

Eo = - 1,39 V

H2(g) + 2(OH-)

Eo = - 0,84 V

Cl2(g) + H2(g) + 2NaOH

Eo = - 2,23 V

El potencial necesario para que la reacción se realice es 2,23 V, pero teniendo en cuenta los factores ya citados de resistencia y sobrepotencial, en la práctica se requiere un voltaje mayor con una intensidad de 230 mA/cm2. En el siguiente cuadro (49), se resumen los factores que se deben tener en cuenta para el potencial aplicado a la celda. Voltaje de descomposición Sobrepotencial Caída de potencial a través del electrolito Voltaje total que debe aplicarse

2,23 V 0,44 0,83 3,47 V

Como productos del proceso electrolítico se tiene: Ánodo: cloro gaseoso (Cl2(g)). Cátodo: hidrógeno gaseoso (H2(g)). Solución: la solución se va concentrando en hidróxido de sodio que se retira del sistema, así como los otros productos del proceso.

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LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

PRODUCCIÓN DE ALUMINIO La fuente natural de aluminio es la bauxita mineral que, dependiendo del origen, contiene aproximadamente de 20% a 30% de aluminio, como óxido de aluminio (III), Al2O3.xH2O. El mineral se trata para hacerlo maQHMDEOHHQODSODQWD\UHWLUDUOHODVLPSXUH]DV\ÀQDOPHQWHREWHQHUHO óxido de aluminio (III), Al2O3. En este proceso se usan las propiedades anfóteras del aluminio, tratando el mineral con solución hidróxido de sodio a alta concentración para obtener un producto soluble: el aluminato de sodio [NaAl(OH)4]. Los otros componentes, como el hierro (generalmente en mayor proporción), permanecen formando compuestos insolubles. Después de la solución del aluminato, se separa el hidróxido de aluminio (III), (Al(OH)3)(s), que por deshidratación térmica produce óxido de aluminio (III), Al2O3, también conocido como alúmina, con un punto de fusión cercano a 2.050oC. El electrolito de la celda para producir el aluminio es una solución de óxido de aluminio (III) en criolita fundida (Na3AlF6 FRQDGLFLRQHVGHÁXRruro de aluminio (AlF3) en proporción tal que la temperatura de fusión del electrolito está alrededor de 1.000oC. El ánodo de la celda es de JUDÀWRHOFiWRGRHVGHKLHUUR Las reacciones básicas del proceso son: Ánodo: Cátodo:

C(s) + 2O2- - 4 eAl3+ + 3 e-

CO2(g) Al(l)

En las condiciones de operación, el comportamiento químico del sistema es algo complejo y no son aplicables directamente los valores de la tabla de potenciales. En general se opera hasta un máximo de 30 V con intensidades de 0,6 a 1,3 A/cm2 (50). Por las numerosas posibilidades de uso del aluminio, su producción es una de las más altas y ha impulsado los estudios para el diseño de celdas HOHFWUROtWLFDVFDGDYH]PiVHÀFLHQWHV&RPRGDWRLOXVWUDWLYRODSURGXFción de aluminio en Estados Unidos consume cerca del 4,5% del total de energía generada al año (51).

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PROTECCIÓN DE LA CORROSIÓN El proceso general consiste en cubrir una pieza metálica38 con un metal resistente a la corrosión para aislar la pieza de las condiciones ambientales y lograr mayor duración. Este proceso es utilizado no solo en joyería, sino también en la protección de piezas de maquinaria industrial, telecomunicaciones y computadores. /DVSpUGLGDVSRUFRUURVLyQVRQPX\DOWDV\SXHGHQOOHJDUDVHUVLJQLÀFDtivas para la economía de un país. El caso más cotidiano es la corrosión (oxidación) del hierro que puede ocurrir por varias causas, siendo una de las más comunes la que se representa por las semirreacciones: 2Fe(s) - 4 e-

Ánodo: Cátodo: Total:

O2(g) + 2H2O(l) + 4 e2Fe(s) + O2(g) + 2H2O(l)

2Fe2+

Eo = + 0,44 V

4(OH-)

Eo = + 0,41

2Fe(OH)2(s)

Eo = + 0,85 V

El hidróxido de hierro (II) se oxida produciendo hidróxido de hierro (III), Fe(OH)3. Para evitar este proceso se usa un recubrimiento protector que puede ser pintura o una capa de metal resistente a la corrosión, como oro (Au), plata (Ag), níquel (Ni) o cromo (Cr), según el uso y tamaño de la pieza que se va a proteger. En estructuras metálicas se acude a la pintura o al llamado ánodo de VDFULÀFLRSLH]DGHXQPHWDOTXHVHR[LGDPiVIiFLOPHQWHTXHHOKLHUUR y al acoplarse a la estructura conforman una celda. Un metal muy usado FRPRiQRGRGHVDFULÀFLRHVHOPDJQHVLR(OSURFHVRSXHGHGHVFULELUVH por las semirreacciones: Mg2+ + 2 e-

Mg(s)

Eo = - 2,92 V

oxidación ÁXMRGHHOHFWURQHV reducción

Fe2+ + 2 eTotal: Mg(s) + Fe2+ 38

Fe(s)

Eo = - 0,44 V

Mg2+ + Fe(s)

Eo = + 2,48 V

Se han desarrollado tecnologías para hacer recubrimientos de piezas plásticas.

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LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

&RPRHVWiHVFULWDODUHDFFLyQHVIDYRUDEOHSRUWDQWRHOPDJQHVLRLPSLGH la oxidación del hierro.

RECUBRIMIENTOS Otra forma de protección de la corrosión es el recubrimiento de la pieza metálica (factible de oxidarse) con una capa de metal más resistente a este proceso. Esto se hace mediante recubrimiento electrolítico. En este FDVRODSLH]DDUHFXEULUHVHOFiWRGRGHXQDFHOGDHOHFWUROtWLFDVREUH ella se deposita el protector. Algunos de estos procesos son el dorado, plateado, niquelado y cromado. El objetivo de esta parte no es describir cada uno de los procesos, sino dar una mirada general. Como ya se mencionó la pieza a recubrir es el cátodo de la celda y la fuente del metal que se utilizará como recubrimiento puede estar en el HOHFWUROLWRRHQHOiQRGRGHODFHOGDÀJXUD Por ejemplo, si se va a platear, el electrolito es una solución que contiene iones plata (I) que al pasar la corriente se reducen HQ HO FiWRGR DVt VH GHSRVLWD plata metálica sobre la pieza. Este electrolito se podrá utilizar hasta que la concentración de iones plata (I) sea muy baja. Sin embargo, los iones plata se pueden reponer utilizando en la celda un ánodo de plata (Ag(s)). En este ánodo (oxidación) se producirán iones plata (Ag+) que pasan a la solución.

Figura 49

Si el proceso es niquelado, el electrolito contiene iones níquel (II), Ni2+ el ánodo, níquel metálico. De forma similar se puede proceder, si los procesos son dorado o cromado.

ELECTRODEPOSICIÓN DE NÍQUEL SOBRE COBRE En este ejemplo se requieren elementos de bajo costo. Es una experiencia clásica (52), llamada electroplateado (aunque realmente no se usa

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plata). En este caso se debe tener una fuente de iones níquel (II), Ni2+, que al reducirse pasa a níquel metálico que se deposita sobre el cátodo de la celda. Como electrodos pueden utilizarse láminas de cobre que permiten observar fácilmente la formación del depósito de níquel. En esta celda, el electrolito es una solución 1M de cloruro de níquel (NiCl2) en una solución 0,1 M de ácido clorhídrico (HCl). Como el ion níquel se reduce, el electrodo que se emplee como ánodo se oxida. Después de un tiempo de funcionamiento de la celda, la concentración de iones níquel (II) en la solución disminuirá y se producirán iones cobre (II), que pasan a la solución. Es posible seguir este comportamiento determinando la masa de los electrodos antes y después del proceso. Para ello se debe disponer de una balanza con aproximación al miligramo y de una fuente de corriente de 6V que pueda trabajar el tiempo necesario para obtener una masa medible de depósito metálico, dependiendo del amperaje que se suministre. Para tener una aproximación, se puede partir de las leyes de Faraday para calcular el tiempo requerido para tener una variación de masa, ya sea ganancia en el cátodo o pérdida en el ánodo, posible de determinar con la balanza disponible. Sin embargo, en el nivel meramente cualitativo, esta experiencia es una base excelente para estudiar conceptos básicos como oxidación, reducción, número de oxidación, balance de ecuaciones y potencial de reducción, además de soluciones y su preparación39. /DÀJXUDPXHVWUDXQHVTXHPD del montaje de la celda. En ella se distinguen un circuito externo conformado por la fuente de corriente continua y conductores metálicos, y un circuito interno que incluye el electrolito y los electrodos en contacto con él. Para sostener el montaje, se puede usar un soporte de material no conductor de la electricidad, por ejemplo, madera o plástico, como se ilustra en el esquema. Figura 50 39

El trabajo que tiene que ver con corriente eléctrica continua y aspectos como intensidad, resistencia, cantidad de corriente son la base para ampliar el análisis de esta experiencia.

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LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

Los procesos involucrados en la experiencia pueden describirse con base HQODVVHPLUUHDFFLRQHVGHR[LGDFLyQ\UHGXFFLyQTXHVHLGHQWLÀFDQWHniendo en cuenta que se observa un “plateado” de la lámina de cobre que actúa como cátodo y la formación de burbujas de un gas insoluble en agua, por un proceso de reducción. Las semirreacciones que se pueden plantear son: Oxidación

Cu – 2e-

Reducción

Cu2+

Eo = - 0,34 V

Ni2+ + 2e-

Ni

Eo = - 0,25 V

2H+ + 2e-

H2(g)

Eo = 0,00 V

Cu + Ni2+

Cu2+ + Ni

Eo = - 0,59 V

Cu + 2H+

Cu2+ + H2(g)

Eo = - 0,34 V

Como reacciones netas tendríamos:

El potencial y su signo indican que estas reacciones no se llevarán a cabo por sí solas (espontáneamente). Por tanto, para que ocurran se debe tener una fuente externa que genere un potencial que supere el de las reacciones totales. Teniendo en cuenta los diversos factores del sistema, como resistencia del electrolito, reacciones paralelas (reducción del ion níquel y el ion hidrógeno proveniente del ácido) y efectos de sobrepotencial (que no es del caso analizar en este momento), se sugiere un potencial de trabajo de 6 V. En estas condiciones, los cambios comienzan a observarse en aproximadamente un par de minutos. Dependiendo del tipo y calidad del recubrimiento, ya sea industrial o GHMR\HUtDVHXVDQVLVWHPDVVLPLODUHVDOGHVFULWRSHURGHFRPSOHMLGDG variable, por ejemplo con oro, plata, níquel, cromo, estaño. Podría pensarse que con la ayuda de un amperímetro conectado en serie al sistema es posible medir la intensidad de la corriente y, de acuerdo con el tiempo de funcionamiento de la celda, calcular la cantidad de corriente y la masa de níquel depositado40. Sin embargo, se debe tener en cuenta que, además del níquel, también se reduce el hidrógeno y con el 40

Leyes de Faraday.

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montaje empleado no es posible medir el volumen de hidrógeno producido. Se requeriría un montaje que permitiera la recolección del gas41. Queda a iniciativa de alumnos y profesores el diseño del cátodo para obtener el depósito de níquel y el volumen de hidrógeno producido. La información obtenida con este sistema es una base para estudiar las leyes de Faraday con datos obtenidos por experiencia directa.

LEYES DE FARADAY Los procesos descritos muestran la íntima relación entre la energía eléctrica y las transformaciones de la materia. En el transcurso de los años la electroquímica ha tenido un gran desarrollo que, como era de esperar, no imaginaron quienes con sus ensayos exitosos y numerosos fracasos sentaron las bases de esta área. 8QRGHORVFLHQWtÀFRVPiVQRPEUDGRSRUVXVDSRUWHVHV0LFKDHO)DUDGD\ (1791-1867). Sin embargo, otros investigadores poco mencionados realizaron experiencias que abrieron el camino para el desarrollo de la electroquímica. William Nicholson42 construyó una pila de volta (se dice que fue la primera pila construida en Inglaterra) y se le ocurrió introducir en agua dos cables conectados a cada uno de los extremos de la pila. Para su sorpresa, al pasar la corriente eléctrica se producían burbujas de gas TXHSRVWHULRUPHQWHVHLGHQWLÀFDURQFRPRKLGUyJHQR\R[tJHQR  Aunque era conocido el proceso de liberación de hierro metálico a partir de su óxido calentándolo con coque43, fue Humphry Davy44 quien después de varios fracasos liberó elementos metálicos a partir de sus sales SRU PHGLR GH OD FRUULHQWH HOpFWULFD DVt REWXYR SRWDVLR .  PDJQHVLR (Mg), estroncio (Sr), Bario (Ba) y calcio (Ca). Faraday, ayudante de Davy, siguiendo los pasos de su maestro, introdujo términos que son comunes hoy en día: Electrólisis. Para nombrar el proceso de ruptura de moléculas por acción de la corriente eléctrica. 41

Dagoberto Cáceres y José Muñoz. Comentarios sobre el discurso químico en la escuela. Universidad Nacional de Colombia, Programa RED, 2002 p. 119.

42

Químico inglés (1753-1815).

43

Coque: producto sólido generado por tratamiento del carbón para retirar hidrocarburos volátiles.

44

Químico inglés (1778-1829).

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LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

Electrolitos. Soluciones o compuestos capaces de transportar la corriente eléctrica. De ahí surgieron electrodos, ánodo, cátodo. Hacia 1832 dio a conocer las relaciones que encontró entre la corriente eléctrica y la masa o volumen involucrados en la transformación química producida. Estas relaciones se conocen con el nombre de leyes de Faraday. Antes de entrar a describir estas leyes, es necesario puntualizar algunos conceptos, magnitudes y unidades que se aplican. Cantidad de corriente. Su unidad es el culombio (C) y es la cantidad de electricidad que pasa por un punto cuando circula 1 amperio durante un segundo. Amperio (A). Es igual a un culombio por segundo (A = 1 C/s). Faraday (F). En los procesos de oxidación reducción se presenta transIRUPDFLRQHVTXtPLFDV\ÁXMRGHHOHFWURQHV8QDUHIHUHQFLDOyJLFDSDUD la cantidad de carga es la que transporta un mol de electrones (6,02 x 1023HOHFWURQHV (VWDFDQWLGDGGHFDUJDHVODTXHVHGHÀQHFRPR)DUDday y equivale a 96.487 C, dado que la carga de cada electrón es de 1,6 x 10-19 C. Equivalente (Eq). En reacciones de oxidación reducción, el equivalente es la masa en gramos de una especie química que ha perdido (oxidación) o ganado (reducción) 1 mol de electrones. Tomando como ejemplo algunas de las semirreacciones estudiadas se tiene: Ag1+ + 1 e-

Ag(s)

Eq. = 107,8/1

= 107,8 g

2Cl1- - 2e-

Cl2(g)

Eq = 71,0/2 = 35,5 g

Hoy en día estas leyes o relaciones encontradas por Faraday se enuncian: 1. La cantidad de sustancia que experimenta oxidación o reducción en cada electrodo, durante una electrólisis, es directamente proporcional a la cantidad de electricidad que atraviesa la celda. 2. En la electrólisis, un Faraday de electricidad (96.487 C.) reduce y oxida respectivamente, ODPDVDGHXQHTXLYDOHQWH de las especies químicas correspondientes. Retomando la experiencia de obtención de níquel podríamos calcular, con base en las leyes de Faraday, la cantidad de corriente utilizada para

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depositar la masa de níquel que se obtenga durante el proceso descrito. En este caso, como la masa atómica del níquel es 58,7 g y en el proceso de reducción por cada mol de níquel intervienen dos moles de electrones, el equivalente del metal es 58,7 g/2 = 24,9 g. Esta es la masa que deposita el paso de un Faraday de corriente. Asumiendo que la masa de níquel depositado es 3 mg, la cantidad de corriente utilizada en este proceso es (primero se calcula el número de equivalentes de níquel depositados) No. de Eq. = 0,003 g/24,9g/eq = 1,20 x 10-4 eq. La cantidad de corriente necesaria para depositar estos equivalentes es 1 eq.

96.487 C

1,20x 10-4 eq

X

X = 11,62 C

La cantidad de corriente (C ) es C = t (s) x A de donde: t = C/A Si la corriente es 100 mA = 0,1 A = 0,1 C/s, se tiene t = 11,62 C/0,1 C/s = 116,2 s = 1,94 min. Si la corriente es 300 mA = 0,3 A, el tiempo será 38,7 s

CONCLUSIÓN Se completa así una visión general de los procesos de oxidación reducción desde la perspectiva de las celdas galvánicas y electrolíticas, con cierto énfasis en el manejo de la tabla de potenciales de reducción. La idea de este texto no es un análisis a profundidad, sino prácticamente una introducción a la temática. Por consiguiente han quedado por fuera varios aspectos que requerirían un mayor desarrollo en extensión y en profundidad. Uno de estos aspectos es la ecuación de Nernst y la termodinámica de las celdas que estudia conceptos que requieren un análisis previo.

REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA 48. S. Venkatesh and B.V.Tilak, J. Chem. Educ. 1983, 60, 276-8. 49. Op.cit. p. 276.

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50. W.E. Haupin, J. Chem. Educ. 1983, 60, 279. 51. Richard C. Alkire, J. Chem. Educ. 1983, 60, 274. 52. Manjkov J. y Levine D., J. Chem. Educ. 1986, 63, 809. 53. Asimov, I. (QFLFORSHGLD ELRJUiÀFD GH FLHQFLD \ WHFQRORJtD. Emecé Editores. Buenos Aires, 1973, p. 188.

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CAPÍTULO 7 EXPERIENCIAS SUGERIDAS

EL SUEÑO DEL ALQUIMISTA INTRODUCCIÓN ¿Era realmente el sueño del alquimista transformar los metales en oro? Esta ha sido por muchos años la imagen construida alrededor de la alquiPLD6HKDEODGHODE~VTXHGDGHODSLHGUDÀORVRIDOSHURHQUHDOLGDGHV DOJRDOHMDGRGHOSHQVDPLHQWRDOTXLPLVWD$OUHVSHFWR%XUFNKDUGGHÀQH la alquimia como el “arte de las transformaciones del alma”, sin desconocer que en su práctica empírica fueron los precursores de numerosos procesos metalúrgicos y de laboratorio, quizá por lo que son más conocidos. Estas operaciones eran “referencias externas, símbolos de orden práctico, dado que el oro se consideraba como algo precioso e inPXWDEOHHQFRQWUDSRVLFLyQRWURVPHWDOHVFRPRHOSORPRUHSUHVHQWDEDQ el estado caótico, bruto y quebradizo del metal o del hombre interior” (54). La actividad experimental que se propone tiene que ver con transformaciones y comportamiento de la materia. Parece que la transmutación fuera una realidad y que tiene una explicación a la luz de los conceptos que se manejan desde hace muchos años sobre las transformaciones químicas. Esta actividad puede ser realizada como demostración o por los alumnos en el laboratorio. Al parecer, el cobre se convierte en oro. El hecho observable que es un pedazo de cobre (lámina o alambre) se suPHUJHHQXQDPH]FODFDOLHQWH\WRPDXQDVSHFWRGHSODWDOXHJRFXDQdo se somete a la acción de la llama del mechero, se vuelve “oro”45.

PROCEDIMIENTO x En un vaso de precipitados de 50 mL se coloca aproximadamente un JUDPRGH]LQFHQSROYR\VHDGLFLRQDVXÀFLHQWHVROXFLyQGHKLGUy[LGR de sodio (NaOH) 6 M para cubrir el zinc. 45

(VWDFOiVLFDH[SHULHQFLDFRQGLYHUVDVPRGLÀFDFLRQHVVHHQFXHQWUDGHVFULWDHQSXEOLcaciones periódicas como el Journal of Chemical Education y libros sobre experiencias demostrativas y química recreativa.

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x El vaso se coloca sobre una fuente de calor (mechero o plancha) y se calienta suavemente hasta que la solución esté próxima a la ebullición. ¡CUIDADO! La solución no debe llegar a la ebullición. x La pieza de cobre, previamente limpiada con un abrasivo suave, se sujeta con la pinza para crisol (o pinzas metálicas de otro tipo) y se sumerge en la mezcla caliente que se encuentra en el vaso de precipitados. Se mantiene dentro del baño por unos tres minutos, Figura 51. x Se retira la pieza de cobre y se lava con agua y se seca con una toalla de papel (no frotar). x Sujetando la pieza con las pinzas, se somete a la llama del mechero \VHREVHUYDUiSLGDPHQWHXQFDPELRDOTXLPLVWDÀJXUD

Figura 51

Figura 52

REACCIONES En el primer paso se observa la disolución de zinc metálico y formación de burbujas de un gas. En este caso se forma el zincato de sodio (propiedad anfótera del zinc) de acuerdo con la reacción: Zn + 2NaOH

Na2ZnO2 + H2

en la cual el zinc se oxida y el hidrógeno se reduce.

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LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

Al introducir la pieza de cobre en esta mezcla, toma una coloración de plata al ser cubierta por zinc metálico. Ocurre otra reacción de oxidación reducción que puede describirse por la ecuación Na2ZnO2 + 2 Cu

Zn + 2CuO

Finalmente, al someter la pieza recubierta de zinc a la llama del mechero, ocurre la fusión de los dos metales. Esta aleación se llama latón, que presenta el color oro.

MARCO TEÓRICO Una de las aleaciones del cobre más conocida es con el zinc, y se llama latón. En éste la proporción de cobre puede variar entre 55% y 95%, y de ella dependen las propiedades el producto y su uso. También se hacen adiciones de manganeso, níquel, hierro o aluminio para obtener latones FRQFDUDFWHUtVWLFDVHVSHFtÀFDV Tal vez fueron los romanos (alrededor de 20 a.C.) los primeros en obtener latón a partir de cobre y un mineral que contiene carbonato de zinc (ZnCO3), llamado calamina. Este método se empleó hasta mediados del VLJOR;,;HOSURGXFWRVHFRQRFLyFRQHOQRPEUHGH´ODWyQFDODPLQDµSDUD distinguirlo del obtenido por aleación directa de los dos metales. Para la experiencia descrita se han planteado reacciones de oxidación reducción que pueden analizarse con elementos conceptuales aplicables a estos procesos como número de oxidación, oxidación (pérdida de electrones), reducción (ganancia de electrones) y balanceo de reacciones por oxidación-reducción.

COMENTARIOS x Esta experiencia es una forma de introducir el tema de oxidación reducción y los elementos para describirlo: número de oxidación, oxidación, reducción, oxidante, reductor, balance de ecuaciones, metalurgia, aleaciones, además de preparación de soluciones y uso de elementos de laboratorio. x Con el aporte de alumnos y profesores, es posible construir varios marcos conceptuales, dependiendo del objetivo de la actividad realizada. x En esta experiencia se manejan cantidades muy pequeñas de reactivos potencialmente peligrosos, como hidróxido de sodio, y mechero

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(de gas o de alcohol). El profesor debe hacer las advertencias del caso en cuanto a medidas de seguridad y cuidado en la realización del trabajo experimental. Los diagramas esquematizan los dos pasos de la experiencia.

REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA 54. Titus Burckhardt $OTXLPLD6LJQLÀFDGRHLPDJHQGHOPXQGR Plaza & Janés, Barcelona, 1971, p. 33.

EL VOLCÁN QUÍMICO46 INTRODUCCIÓN Cuando pensamos en un volcán, sea natural o pirotécnico, es posible imaginar lo que sucede dentro del volcán o simplemente acudir a la bibliografía. Se describe el volcán como un sistema o formación en cuyo interior se generan presiones, temperaturas muy altas y materiales fundidos que buscan salida y lo hacen por el cráter. En este caso, las condiciones que activan el movimiento y proyección de los materiales fundidos y cenizas son las altas temperaturas y presiones que se generan en el interior del globo terrestre. En el laboratorio se puede realizar una sencilla experiencia que simula un pequeñísimo volcán y que a su vez motiva la imaginación para construir ambientes y hacer de su realización un espectáculo en miniatura. Es el llamado “volcán químico”, que se encuentra reportado en diversas publicaciones desde hace varios años.

TRABAJO EXPERIMENTAL Los elementos básicos son dicromato de amonio anhidro (NH4)2Cr2O7, acetona (CH3-CO-CH3 XQDVXSHUÀFLHQRFRPEXVWLEOHFHUiPLFDPHWilica), recipiente resistente al calor y fósforos. 6HFRORFDXQDFDQWLGDGVXÀFLHQWHGHSHQGHGHOWDPDxRGHOUHFLSLHQWH  de dicromato de amonio, alrededor de 6 g, y se acomoda formando una SHTXHxDPRQWDxDFRPRVHPXHVWUDHQODÀJXUD3DUDXQHIHFWRYLV46

Esta experiencia es demostrativa y debe ser realizada por el profesor manteniendo a los alumnos a una distancia prudente.

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LA QUÍMICA AL ALCANCE DE TODOS

Figura 53

toso se puede ubicar el recipiente con el dicromato de amonio de manera que ocupe el tope del montaje hecho de material no combustible. Con un gotero, se ponen no más de tres gotas de acetona en el tope del montículo de dicromato de amonio y se prende con un fósforo. Se inicia la reacción de descomposición y cada vez es más activa, observándose proyecciones de material liviano, pequeñas explosiones y, esporádicamente, coloraciones anaranjadas. Además, el material sólido producido ocupa un volumen mayor que el dicromato de amonio de partida.

MARCO TEÓRICO El dicromato de amonio presenta una reacción de descomposición en la TXHVHLGHQWLÀFDXQSURGXFWRVyOLGRGHFRORUYHUGRVREDVWDQWHOLYLDQR Se supone la producción de gases a presión por las proyecciones durante la experiencia. De acuerdo con el reactivo de partida y las condiciones de la experiencia, el producto sólido debe ser un óxido de cromo y el producto gaseoso puede ser nitrógeno elemental. La ecuación que describiría la reacción es: 

(NH4)2Cr2O7(s)   ÷

N2(g) + 4H2O(l) + Cr2O3(s)

La reacción muestra un proceso de oxidación reducción. La expansión repentina del nitrógeno producido explicaría las proyecciones de material sólido y las pequeñas explosiones.

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COMENTARIOS x El marco conceptual implica, entre otros conceptos, energía de activación, reacción exotérmica, densidad, expansión de gases, oxidación, reducción, temperatura de descomposición, pigmentos, cambio químico, cambio físico. x Deben tomarse las precauciones pertinentes durante el desarrollo de la experiencia: personas a una distancia prudencial, espacio abierto con buena ventilación, material del montaje no combustible. x Se pueden plantear algunas inquietudes: ¿hay consumo de oxígeno durante la experiencia? ¿La masa de los productos observables es mayor o menor que la de los reaccionantes? ¿Qué procedimientos podrían diseñarse para obtener la información que responda a estos interrogantes? (55).

REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA 55. E.F. James, J. Chem. Educ., 1970, 47, 533-35.

GASES VIAJEROS INTRODUCCIÓN En la vida diaria nuestro sistema olfativo detecta numerosos olores: perfumes diferentes, aromas producidos por plantas sembradas en los jardines, olores no tan agradables de materia orgánica en descomposición o emisión de gases de los automotores, plantas industriales o escapes de gas. Lo común a esta variedad de olores es que se detectan sin necesidad de tener contacto físico con la fuente u origen. Es algo que “viaja” por el ambiente a grandes distancias hasta que dejamos de percibirlo, pero no es que haya desaparecido, sino que se encuentra en concentraciones tan bajas que están bajo el umbral de detección y nuestro sentido del olfato deja de detectarlo. Una experiencia muy sencilla se puede realizar en el aula de clase: se destapa un perfume en un sitio del salón y se instruye a los alumnos que levanten la mano cuando perciban su olor. Los primeros que la levantan son los que están más cerca de la IXHQWH\ORV~OWLPRVVHUiQORVPiVDOHMDGRVGHHOODVLHOVDOyQHVPX\ grande, es posible que los alumnos más alejados no lo detecten por su concentración tan baja.

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Al conjunto de partículas de materia causantes del olor, en este caso, ODV FODVLÀFDPRV SRU VXV FDUDFWHUtVWLFDV FRPR JDVHV VH PXHYHQ D JUDQ velocidad en todas direcciones, al azar y en línea recta. Por eso se dice que los gases llenan todo el espacio disponible, sea este un pequeño recipiente o una gran habitación. ¿Con qué rapidez viajan estas partículas? Una primera aproximación se logra con la siguiente experiencia.

TRABAJO EXPERIMENTAL Una experiencia ampliamente divulgada consiste en poner simultáneamente en los extremos de un tubo de vidrio dos compuestos que fácilmente pasan al estado gaseoso o forman “vapores”: soluciones concentradas de amoniaco (NH4OH) y de ácido clorhídrico (HCl). En este tubo de unos 50 cm de largo y entre 1 y 2 cm (o más) de diámetro, se desplazan los compuestos gaseosos. Al encontrarse se produce una especie de nube blanca en forma de anillo, Figura 54. Si se mide el tiempo desde el momento en que se ponen simultáneamente la solución de amoniaco y de ácido clorhídrico hasta la formación del anillo, se puede determinar la velocidad de desplazamiento en cm/s.

Figura 54

Con el mismo objetivo se puede usar otro montaje sugerido por varios autores como Summerlin (56), en el que se hace una experiencia con cada compuesto gaseoso. En el fondo de una probeta (cilindro graduado) limpia y seca, de mínimo P/ÀJXUDVHFRORFDXQSHGD]RGHSDSHOWRUQDVROD]XOKXPHGHcido y, en la boca de la probeta se pone un algodón previamente sumergido en una solución de ácido clorhídrico concentrada (36% en peso, d = 1,18 g/cm3 3DUDIDFLOLWDUODRSHUDFLyQ\HYLWDUDFFLGHQWHVVHÀMDHO algodón a una tapa que a su vez cubre el extremo abierto de la probeta. Se toma el tiempo desde el momento en que se coloca el algodón en la

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boca de la probeta hasta que cambie HOFRORUGHOSDSHOWRUQDVROVHxDOGH que el ácido llegó al fondo del recipiente. Igual procedimiento se sigue, pero humedeciendo otro algodón con solución concentrada de hidróxido de amonio (25%, d = 0,90 g/cm3) y colocando un papel tornasol rojo humedecido en el fondo del recipiente. Para efecto de los cálculos, el camino recorrido por los gases corresponde a la altura de la probeta.

Figura 55

Con estos valores y las masas molares de los compuestos utilizados se pueden analizar algunos aspectos del comportamiento de los gases como:

x Velocidad de difusión en las condiciones del sistema utilizado. x ,GHQWLÀFDUODUHODFLyQGLUHFWDRLQYHUVD HQWUHODYHORFLGDGGHGLIXsión y la masa molar de los compuestos gaseosos. x ¿Cuál gas se difunde más rápidamente? x Relaciones cuantitativas entre la velocidad de difusión y las masas molares, su raíz cuadrada y el cuadrado. Esto simplemente como ejercicio de manejo de información, teniendo en cuenta las limitaciones del sistema utilizado. x /LPLWDQWHVGHOVLVWHPDXWLOL]DGRTXHSXHGHQLQÁXLUHQORVUHVXOWDGRV x Si el tubo estuviera en posición vertical, ¿la relación (directa o inversa) se vería afectada? x Si la concentración de las soluciones se reduce a la mitad se afectará la velocidad de difusión?

COMENTARIOS x Es claro que no se van a obtener resultados que concuerden un 100% con los reportados en la literatura. x Los valores hallados por los dos sistemas no van a corresponder exac-

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tamente, pero si permiten establecer la relación entre velocidad de difusión y masa molar del compuesto gaseoso que se difunde. x Es fundamental analizar el sistema utilizado, sus limitaciones a la luz del modelo cinético molecular de los gases y su posible incidencia en los resultados. x Se puede complementar la experiencia colocando dentro del tubo dos o tres compuestos sólidos (Figura 56) que reaccionen con el amoniaco y que pueden indicar el “recorrido del gas” por el cambio de color de los compuestos. Estos se seleccionan de acuerdo a una consulta ELEOLRJUiÀFD

tubo tubo

algodón con solución compuesto de hidróxido de amonio 1

compuesto 2

tapón

compuesto 3

Figura 56

REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA 56. L.R. Summerlin. y J.L. Ealy Jr. Chemical Demonstrations – source book for teachers. 2th ed. Vol.1., Washington D.C., 1988, pp.14-15.

LECTURA COMPLEMENTARIA 16

ENERGÍA CINÉTICA EN EL ESTADO GASEOSO En la descripción del estado gaseoso, se incluyeron básicamente algunos postulados: x Las moléculas de un elemento o compuesto en estado gaseoso están en constante movimiento. x Las moléculas se desplazan en línea recta y al azar en todas direcciones.

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x La velocidad de las moléculas es constante entre choque y choque. x Las moléculas chocan elásticamente contra las paredes del recipiente que las contiene y eventualmente con otras moléculas presentes. x La energía cinética (1/2mv2) de cada molécula varía permanentemente, pero la energía cinética promedio es igual para todas (a cualquier temperatura). En consecuencia, la energía cinética promedio de las moléculas de gas depende únicamente de la temperatura. Para dos o más gases, es la misma, por tanto: Enegía cinética promedio para moléculas del gas 1 = Energía cinética promedio para moléculas del gas 2. Este comportamiento se representa por la relación:

6LHVWDH[SUHVLyQVHVLPSOLÀFD\UHDJUXSDVHREWLHQH

De esta última relación se puede concluir que las velocidades de las moléculas de dos gases diferentes, con igual energía cinética, están en relación inversa a la raíz cuadrada de sus masas molares. Pero surge una inquietud, porque cada molécula tiene una velocidad diferente y no es práctico medir velocidades individuales, por el número tan grande de ellas en una muestra medible de gas. Se acude entonces a la velocidad promedio ( ), caso en el cual la relación será:

En la medida de la velocidad (en la experiencia descrita), se asume este comportamiento. Además se debe tener en cuenta que las moléculas de los gases no tienen libertad completa para difundirse en cualquier dirección, porque las paredes del tubo se lo impiden. Por esto el resultado obtenido podría permitir establecer inicialmente la relación de depenGHQFLDHQWUHODYHORFLGDGSURPHGLR\ODPDVDPRODUSHURSRUODOLPLWD-

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ción mencionada, la relación cuantitativa calculada podría alejarse de ODPHQFLRQDGDHQODOLWHUDWXUD\DFHSWDGDSRUODFRPXQLGDGFLHQWtÀFD

CORROSIÓN INTRODUCCIÓN La corrosión es un proceso de gran impacto económico, de salubridad y estético. En el primer caso, por los daños que sufre un metal (hieUUR DFHUR FREUH  GH HVWUXFWXUDV HQ FRQWDFWR FRQ HO DPELHQWH HQ HO segundo, por las afecciones que se producen por el almacenamiento de alimentos en recipientes metálicos que no han tenido el respectivo PDQWHQLPLHQWRSDUDSUHYHQLUODFRUURVLyQ\HQHOWHUFHURSRUHODVSHFWRTXHWRPDQODVSDUWHVPHWiOLFDVFRUURtGDV(VWDOODLQÁXHQFLDGHHVWH proceso que, según estadísticas, un alto porcentaje de la producción de acero (cerca del 25%), se usa para remplazar las partes metálicas afectadas por la corrosión. En las partes metálicas donde ajustan tornillos de diferente material se nota el efecto de la corrosión por la formación de un par electroquímico. La experiencia que se describe a continuación permite visualizar el efecto de la corrosión por formación de un par electroquímico, en este caso cobre-aluminio, está basada en la propuesta por Summerlin y Ealy (57).

PROCEDIMIENTO Se usan latas de gaseosa47 a las cuales se les quita la tapa del extremo superior (por la que se toma el líquido). x &RQ XQ LQVWUXPHQWR GH SXQWD DJXGD R ERUGHV GHÀQLGRV SXQWLOOD R destornillador) y mediante un movimiento circular se desprende el delgado recubrimiento del interior de la lata, de forma que una circunferencia de aluminio queda expuesta. Este “rayado” se hace de la mitad de la lata hacia el fondo. x Se adiciona solución 1 M de cloruro de cobre (II), CuCl2, en tal cantidad que cubra la circunferencia donde se ha retirado el recubrimiento y se agita para renovar la solución en contacto con el metal. 47

Se puede ampliar la experiencia con latas donde vienen frutas (melocotón, piña), verduras, champiñones.

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x Después de unos 5 a 10 minutos se retira la solución de cloruro de cobre (II) y se lava la lata. Si el tiempo de contacto de la solución FRQODODWDIXHVXÀFLHQWHDOWRPDU ésta por los extremos y hacer un movimiento de rotación en dirección contraria, las dos partes de la lata se separan.

Figura 57

(QODÀJXUDODOtQHDSXQWHDGDLQdica la circunferencia donde se ha retirado la capa que cubre el interior GH OD ODWD \ ODV ÁHFKDV OD GLUHFFLyQ de la rotación de los extremos de la lata.

Como medida de precaución, al estudiante se le entrega la lata sin la tapa del extremo superior y con los bordes suavizados para evitar cortaduras.

COMENTARIOS x A partir de las observaciones realizadas analizar las causas del debilitamiento de la lata donde el aluminio entra en contacto con la solución de cloruro de cobre (II). x A partir de este análisis se plantean las reacciones de oxidación y reducción que ocurren y escribir las ecuaciones químicas correspondientes. x Analizar el proceso con base en los potenciales de reducción correspondientes. x Plantear otras posibles soluciones de iones metálicos que podrían generar el mismo resultado. x Analizar situaciones de corrosión observables en el medio y plantear las ecuaciones químicas correspondientes. x En el marco conceptual de referencia se pueden incluir conceptos de oxidación, reducción, potencial de reducción, reacción espontánea,

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corrosión, anticorrosivos, balance de ecuaciones, concentración de soluciones, molaridad.

REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA (57) L.R. Summerlin y J.L. Ealy Jr. Chemical Demonstration–A source book for teachers. 2th ed. Vol.1, American Chemical Society, Washington, D.C., 1988, p. 152.

UN BRONCEADO MUY PARTICULAR INTRODUCCIÓN &RQHOSDVRGHOWLHPSRVHKDLQWHQVLÀFDGRODGLIXVLyQVREUHORVSHOLJURV por exposición prolongada a la radiación proveniente del sol, por la creciente incidencia de afecciones de la piel causadas principalmente por radiación ultravioleta. A pesar que la piel tiene mecanismos de protección, éstos se ven superados por la radiación recibida por exposición a la radiación solar. Hoy en día se dispone de protección adicional mediante el uso de protecWRUHVRÀOWURVVRODUHVTXHGHDFXHUGRFRQVXFDSDFLGDGGHSURWHFFLyQ VHFODVLÀFDQSRUXQQ~PHURTXHSRGUtDPRVOODPDUIDFWRUGHSURWHFFLyQ designado por las letras SPF (Screen Protection Factor). A mayor número, mayor protección. Debe tenerse en cuenta que si tiene un valor de 4, indica que de la radiación a la cual se está expuesto, la cuarta parte llega a la piel. La tendencia de los consumidores es a usar el protector con el factor más alto, pero esto no implica que uno se pueda exponer a la radiación solar durante periodos prolongados. 8QD FRPSDUDFLyQ TXH SHUPLWH YLVXDOL]DU HO VLJQLÀFDGR GHO IDFWRU GH SURWHFFLyQ 63)  GH ORV ÀOWURV R SURWHFWRUHV VRODUHV OR SODQWHD %ORRPÀHOG\6WHSKHQV ´6LHOSURWHFWRUWLHQHXQIDFWRUGHLQGLca que si se expone al sol durante 8 horas, la piel recibe igual radiación que si se expusiera 1 hora sin protección”. De forma similar, si el protector tiene un factor de 4 implica que al exponerse al sol durante 4 horas, recibe la piel igual radiación que si se expusiera una hora sin protección. La radiación UV también cataliza reacciones químicas, lo cual puede verse mediante una sencilla experiencia para la que se requiere ferricia-

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nuro de potasio o hexacianoferrato (III) de potasio (K3[Fe(CN)6], citrato48 de amonio y hierro (III), (NH4)3Fe(C6H5O7), brocha suave o esponja, hojas de papel de 75 g o más, secador de pelo.

TRABAJO EXPERIMENTAL x Antes del trabajo experimental, se preparan soluciones de citrato de amonio y hierro (III), aproximadamente 0,7 M, y de ferricianuro de potasio, aproximadamente 0,3 M. Veinte mililitros de cada una son VXÀFLHQWHV SDUD OD H[SHULHQFLD SDUD VX DOPDFHQDPLHQWR VH XVD XQ frasco oscuro. Lawrence y Fichelson (59) sugieren usar el citrato de amonio y hierro (III) de color verde. x Se mezclan volúmenes iguales de !as dos soluciones e inmediatamente, con la brocha o esponja, se reparte en forma pareja sobre la hoja de papel y se seca con la ayuda de un secador para el pelo. Esta parte se realiza en un sitio protegido de la acción directa de la radiación solar. x (OSDSHOVHFRVHFRORFDVREUHXQDVXSHUÀFLHSODQDYLGULRRFDUWyQ  y sobre la hoja se colocan objetos de diferente forma como siluetas recortadas en cartulina de diferente forma o un negativo en blanco y negro. Luego se expone a la acción directa del sol de 5 a 10 minutos. En tanto más soleado esté el día menos tiempo se necesitará para que ocurra la reacción fotoquímica. x Se retiran los objetos o negativos y se lava el papel con agua fría y se seca. x Escribir las observaciones a que haya lugar.

COMENTARIOS x Si se dispone de los elementos necesarios la preparación de las soluciones puede ser parte de la actividad de los alumnos. x Se sugiere trabajar con los alumnos los procesos que se presentan en cada paso de la experiencia. 48

Es conveniente indicar a los alumnos que el ácido cítrico es un compuesto orgánico con funciones de alcohol y ácido. Su nombre es 2-hidroxi-1,2,3,-propantricarboxilico.

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- Mezcla de las dos soluciones: formación del hexacianoferrato (III) de hierro (III), también nombrado como ferricianuro férrico, compuesto fotosensible a la radiación UV. - Determinación de los estados de oxidación del hierro, tanto del que se encuentra unido al ion cianuro (coordinado) como del no coordinado. Ambos son 3+. - Por acción de la radiación UV se reduce a 2+ el hierro unido a los seis grupos cianuro, formándose el hexacianoferrato (II) de hierro (III), conocido como azul de prusia. Este compuesto también se puede encontrar como ferrocianuro férrico. - Las ecuaciones que describen !as reacciones que ocurren son: (NH4)3Fe(C6H5O7)2 + K3[Fe(CN) 6]

K3C6H5O7 + (NH4)3C6H5O7 + Fe [Fe(CN)6]

K+ + Fe [Fe(CN)6]

KFe[Fe(CN) 6]

- Como ampliación de esta experiencia, antes de hacer la exposición directa al sol, se puede cubrir total o parcialmente con un protector solar y analizar los resultados.

PRECAUCIONES x Las soluciones de hexacianoferrato (III) de hierro (III) no deben mezclarse con ácidos fuertes porque pueden producir ácido cianhídrico, altamente tóxico. x Lávese las manos después de esparcir la solución sensible sobre el papel.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 00%ORRPÀHOG\/-6WHSKHQV Chemistry and the Living Organism. 6th Ed., John Wiley & Sons, Nueva York, 1996, p. 47. 59. G.D. Lawrence and Fischeldon, J. Chem. Educ.1999, 76, 1216A.

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