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martes, 29 de junio de 2010

Sistemas materiales

INTRODUCCIÓN

Se llama sistema material a una porción limitada de materia, dentro del universo, que se separa real o imaginariamente, para su estudio.
Aún cuando el sistema haya sido separado del universo (ambiente) que lo rodea, queda circundado por un medio. Durante el estudio del sistema material, dicho medio debe ser considerado.
Dado el sistema formado por un recipiente que contiene a un gas, sumergido en un baño con agua a temperatura constante (termostato), el gas es el sistema bajo estudio, el termostato representa al medio y, los límites del sistema son las paredes del recipiente que contiene al gas.

CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS MATERIALES
Los sistemas materiales se pueden clasificar en función del pasaje de masa y energía entre el sistema y el medio, en abierto, cerrado y aislado.

Sistema Abierto
En los mismos se produce transferencia de masa y de energía entre el sistema y el medio o viceversa.

Sistema Cerrado
En estos sistemas solo se produce el intercambio de energía entre el sistema y el medio o viceversa.

Sistema Aislado
En este caso, no hay pasaje ni de masa ni de energía del sistema al medio y viceversa.

Otra clasificación que se hace de los sistemas materiales, se basa en sus propiedades y su composición, surgiendo así, dos grandes grupos: las sustancias puras y las mezclas.

Sustancias puras
Las sustancias puras son especies de materia que no pueden ser fraccionadas por los métodos fisicoquímicos comunes, mientras que poseen una composición química definida y constante. Las sustancias puras comprenden a su vez a los compuestos y a los elementos. Los primeros pueden descomponerse químicamente en dos o más elementos. Por ejemplo, agua, cloruro de sodio (sal de mesa), etanol, etc. Por otra parte, ejemplos de elementos los representan hidrógeno, oxígeno, cloro, sodio, carbono, entre otros.

Mezclas
Las mezclas, son aquellos sistemas que no poseen composición química definida, es decir, que están formados por dos o más componentes, donde los mismos conservan sus propiedades características, mientras que las propiedades del sistema son variables y dependen de la relación de las cantidades en las que se encuentra cada uno de los componentes.
Las mezclas, a su vez, se clasifican en homogéneas y heterogéneas.

Sistema homogéneo
Una mezcla es homogénea, cuando presenta las propiedades iguales en todos los puntos de su masa, y no se observa en la misma, superficies de discontinuidad, cuando se la examina al ultramicroscopio. Las mezclas homogéneas se conocen con el nombre de soluciones. Así, por ejemplo, la agitación prolongada de una cucharada de azúcar en un vaso de agua, dará lugar a la formación de una solución de agua azucarada.

Sistema heterogéneo
Se conocen también con el nombre de dispersiones, y se caracterizan por poseer propiedades diferentes cuando se consideran al menos dos puntos de su masa y además, presentan superficies de discontinuidad. Un ejemplo común de mezcla heterogénea, lo constituye un trozo de granito, claramente, se diferencian en el mismo sus componentes, cuarzo, feldespato y mica. Cada una de estas partes representa a sistemas homogéneos, con propiedades distintas, separadas entre sí, por límites bien definidos, conocidos con el nombre de interfase, mientras que cada una de estas porciones homogéneas se denominan fases.
Para aclarar estos conceptos, es posible decir que los sistemas homogéneos son monofásicos (formados por una sola fase), mientras que los heterogéneos son polifásicos (dos o más fases).

Es importante notar lo siguiente: para que cada porción homogénea de una mezcla heterogénea sea considerada una fase independiente, debe cumplir con dos requisitos: estar separadas entre sí por interfases y, poseer propiedades físicas y/o químicas distintivas. El clásico ejemplo lo representa el sistema formado por agua líquida y varios cubos de hielo. El mismo posee solamente dos fases, ya que si bien los trozos de hielo se encuentran todos separados por diferentes interfases, poseen idénticas propiedades físicas y/o químicas.

Otro término importante a considerar es el de componente, denominándose así a cada una de las sustancias que constituyen a una mezcla.
El número de componentes que posee una sistema, es independiente de su homogeneidad o heterogeneidad. De esta manera, existen sistemas heterogéneos de varias fases, formado por varios componentes, tal el caso de sistema formado por agua líquida en equilibrio con hielo y vapor de agua, tres fases pero solo un componente.

Por otro lado, existen sistemas homogéneos constituidos por numerosos componentes, por ejemplo solución de varias sales en agua.

Dentro de las mezclas heterogéneas o dispersiones, cabe establecer que la fase presente en mayor proporción se denomina fase dispersante y la o las otras, fases dispersas.
Las dispersiones se clasifican en tres grupos según el tamaño de partículas de la fase dispersa: groseras, finas y coloidales.

Dispersiones groseras
Las partículas de la fase dispersa poseen dimensiones mayores a 50 ?m
(1?m = 10-6 m), pudiendo ser visualizados a simple vista. Por ejemplo: mezcla de arena y agua, granito, limaduras de hierro en azufre, etc. La separación de fases puede operarse con mayor facilidad cuanto más difieran sus densidades.

Dispersiones finas
En estos casos, las partículas de las fase dispersa tienen dimensiones comprendidas entre 0,1 ? m y 50 ? m, solo observables utilizando microscopios. A este tipo de dispersiones pertenecen las emulsiones y las suspensiones. Las emulsiones se caracterizan por poseer las fases dispersante y dispersa en estado líquido. Un ejemplo se estos sistemas se logra agitando vigorosamente una mezcla de agua y aceite.

En las suspensiones, la fase dispersa es sólida, mientras que la fase dispersante puede ser líquida o gaseosa. La tinta china (negro de humo disperso en agua), ejemplifica a una dispersión fina con fase dispersante líquida y dispersa sólida. El humo (partículas de carbón dispersas en aire), constituye un ejemplo de suspensión de sólido en gas. En este tipo de dispersiones la separación de fases se opera con mayor dificultad que en las groseras.

Dispersiones coloidales o coloides
El tamaño de partículas de la fase dispersa se encuentra entre los 0,001 ?m y 0,1 ? m. La gelatina es uno de los coloides más comunes. La fase dispersa solo se puede observar a través de un dispositivo óptico denominado ultramicroscopio.

Precisamente, este medio óptico es el que se utiliza como límite para determinar si un sistema material es homogéneo o heterogéneo. Cuando observando al ultramicroscopio, un sistema material posee una sola fase, se dice que es homogéneo. Si por el contrario, presenta dos o más fases, el sistema es heterogéneo.

Separación de mezclas
Las distintas fases de un sistema heterogéneo se pueden separar por varios procedimientos físicos llamados métodos de separación de fases.

Ejemplos de estos métodos de separación son: filtración, decantación, centrifugación, levigación, tamizado, etc.
Como resultado de estos métodos de separación, los sistemas heterogéneos quedan divididos en fases, sistemas homogéneos.

Es posible intentar la aplicación de nuevos métodos que permitan decidir si una fase además está formada por uno o más componentes. Por ejemplo, es posible separar agua y sal a partir de un sistema homogéneo de agua salada. En este caso la fase debe ser fraccionada.

En conclusión, es posible afirmar que los sistemas homogéneos pueden ser resueltos a partir de métodos de fraccionamiento de fases. Los métodos más utilizados son: destilación simple, destilación fraccionada y cristalización.

jueves, 24 de junio de 2010

Uniones químicas 2

Unión metálica

Si se unen dos elementos metálicos (o átomos del mismo elemento, que es el caso más usual), con tendencia a ceder electrones y baja electronegatividad; como esos últimos electrones están muy débilmente unidos lo que se produce es una red tridimensional de cationes entre los cuales pueden moverse libremente los electrones. Esa es la UNIÓN METÁLICA, que tiene características particulares que luego veremos.
LA UNIÓN METÁLICA se produce en general entre los átomos de un mismo elemento metálico, que tiene baja electronegatividad, como en el hierro, el cobre o el aluminio.
La unión metálica no tiene representación en una estructura de Lewis.
En el enlace metálico, los átomos se transforman en iones y electrones, en lugar de pasar a un átomo adyacente, se desplazan alrededor de muchos átomos. Intuitivamente, la red cristalina metálica puede considerarse formada por una serie de átomos alrededor de los cuales los electrones sueltos forman una nube que mantiene unido al conjunto.

 

jueves, 17 de junio de 2010

Gas ideal: características

Desde el punto de vista microscópico, definimos a un gas ideal haciendo las siguientes suposiciones, con lo que nuestra tarea será la de aplicar las leyes de la mecánica clásica, estadísticamente, a los átomos del gas y demostrar que nuestra definición microscópica es consecuente con la definición macroscópica de la sección procedente:

1.- Un gas esta formado por partículas llamadas moléculas. Dependiendo del gas, cada molécula esta formada por un átomo o un grupo de átomos. Si el gas es un elemento o un compuesto en su estado estable, consideramos que todas sus moléculas son idénticas.
2.- Las moléculas se encuentran animadas de movimiento aleatorio. Las moléculas se mueven en todas direcciones y a velocidades diferentes
3.- El número total de moléculas es grande. La dirección y la rapidez del movimiento de cualquiera de las moléculas, puede cambiar bruscamente en los choques con las paredes o con otras moléculas. Cualquiera de las moléculas en particular, seguirá una trayectoria de zigzag, debido a dichos choques. Sin embargo, como hay muchas moléculas, suponemos que el gran número de choques resultante mantiene una distribución total de las velocidades moleculares con un movimiento promedio aleatorio,
4.- El volumen de las moléculas es una fracción despreciablemente pequeña del volumen ocupado por el gas. Aunque hay muchas moléculas, son extremadamente pequeñas. Sabemos que el volumen ocupado por una gas se puede cambiar en un margen muy amplio, con poca dificultad y que, cuando un gas se condensa, el volumen ocupado por el líquido puede ser miles de veces menor que la del gas se condensa, el volumen ocupado por el líquido puede ser miles de veces menor que el del gas. De aquí que nuestra suposición es posible.
5.- No actúan fuerzas apreciables sobre las moléculas, excepto durante los choques. En el grado de que esto sea cierto, una molécula se moverá con velocidad uniforme entre los choques. Como hemos supuesto que las moléculas son tan pequeñas, la distancia media entre ellas es grande en comparación con el tamaño de una de las moléculas. De aquí que suponemos que el alcance de las fuerzas moleculares es comparable al tamaño molecular.
6.- Los choques son elásticos y de duración despreciable. En las choques entre las moléculas con las paredes del recipiente se conserva el ímpetu y (suponemos) la energía cinética. Debido a que el tiempo de choque es despreciable comparado con el tiempo que transcurre entre los choque de moléculas, la energía cinética que se convierte en energía potencial durante el choque, queda disponible de nuevo como energía cinética, después de un tiempo tan corto, que podemos ignorar este cambio por completo.

Calor y temperatura

Mediante el contacto de la epidermis con un objeto se perciben sensaciones de frío o de calor, siendo está muy caliente. Los conceptos de calor y frío son totalmente relativos y sólo se pueden establecer con la relación a un cuerpo de referencia como, por ejemplo, la mano del hombre.

Lo que se percibe con más precisión es la temperatura del objeto o, más exactamente todavía, la diferencia entre la temperatura del mismo y la de la mano que la toca. Ahora bien, aunque la sensación experimentada sea tanto más intensa cuanto más elevada sea la temperatura, se trata sólo una apreciación muy poco exacta que no puede considerarse como medida de temperatura. Para efectuar esta última se utilizan otras propiedades del calor, como la dilatación, cuyos efectos son susceptibles.
Con muy pocas excepciones todos los cuerpos aumentan de volumen al calentarse y disminuyen cuando se enfrían. En caso de los sólidos, el volumen suele incrementarse en todas las direcciones.
La dilatación es, por consiguiente, una primera propiedad térmica de los cuerpos, que permite llegar a la noción de la temperatura.
La segunda magnitud fundamental es la cantidad de calor que se supone reciben o ceden los cuerpos al calentarse o al enfriarse, respectivamente.
La cantidad de calor que hay que proporcionar a un cuerpo para que su temperatura aumente en un nuúmero de unidades determinado es tanto mayor cuanto más elevada es la masa de dicho cuerpo y es proporcional a lo que se denomina calor especifico de la sustancia de que está constituido.
Cuando se calienta un cuerpo en uno de sus puntos, el calor se propaga a los que son próximos y la diferencia de temperatura entre el punto calentado directamente y otro situado a cierta distancia es tanto menor cuando mejor conductor del calor es dicho cuerpo. Si la conductibilidad térmica de un cuerpo es pequeña, la transmisión del calor se manifiesta por un descenso rápido de la temperatura entre el punto calentado y otro próximo. Así sucede con el vidrio, la porcelana, el caucho, etc. En el caso contrario, por ejemplo con metales como el cobre y la plata, la conductibilidad térmica es muy grande y la disminución de temperatura entre un punto calentado y el otro próximo es muy reducida.
Se desprende de lo anterior que el estudio del calor sólo puede hacerse después de haber definido de una manera exacta los dos términos relativos al propio calor, es decir, la temperatura, que se expresa en grados, y la cantidad de calor, que se expresa en calorías.
Habrá que definir después algunas propiedades específicas de los cuerpos en su manera de comportarse con respecto al calor y la conductibilidad térmica.

Escalas de medición de la temperatura
Las dos escalas de temperatura de uso común son la Celsius (llamada anteriormente "centígrada") y la Fahrenheit. Estas se encuentran definidas en términos de la escala Kelvin, que es las escala fundamental de temperatura en la ciencia.
La escala Celsius de temperatura usa la unidad "grado Celsius" (símbolo °C), igual a la unidad "Kelvin". Por esto, los intervalos de temperatura tienen el mismo valor numérico en las escalas Celsius y Kelvin. La definición original de la escala Celsius se ha sustituido por otra que es más conveniente. Sí hacemos que T represente la escala de temperatura, entonces:
T (ºC) = T - 273.15°
relaciona la temperatura Celsius Tc (°C) y la temperatura Kelvin T(K). Vemos que el punto triple del agua (= 273.16 K por definición), corresponde a 0.01°C. La escala Celsius se definió de tal manera que la temperatura a la que el hielo y el aire saturado con agua se encuentran en equilibrio a la presión atmosférica - el llamado punto de hielo - es 0.00 °C y la temperatura a la que el vapor y el agua liquida, están en equilibrio a 1 atm de presión -el llamado punto del vapor- es de 100.00 °C.
La escala Fahrenheit, todavía se usa en algunos países que emplean el idioma ingles aunque usualmente no se usa en el trabajo científico. Se define que la relación entre las escalas Fahrenheit y Celsius es:
TF = 32 + 9.TC/5.
De esta relación podemos concluir que el punto del hielo (0.00°C) es igual a 32.0 °F, y que el punto del vapor (100.0°C) es igual a 212.0 °F, y que un grado Fahrenheit es exactamente igual 5/9 del tamaño de un grado Celsius.

domingo, 6 de junio de 2010

Las Leyes de los gases

Todas las masas gaseosas experimentan variaciones de presión, volumen y temperatura que se rigen por las siguientes leyes:
Primera ley (Boyle-Mariotte)
Los volúmenes ocupados por una misma masa gaseosa conservándose su temperatura constante, son inversamente proporcionales a la presión que soporta.
Formula interpretación:  V.P = V´.P´
V = volumen inicial
V`= volumen final
P = presión inicial
P´ = Presión final












Segunda ley (Charles).
Cuando se calienta un gas, el volumen aumenta 1/273 parte de su valor primitivo, siempre que la presión no varíe. Temperatura y volumen son directamente proporcionales.
Formula interpretación: V.T´ = V´.T
V = volumen inicial
V´ = volumen final
T = temperatura inicial
T´ = temperatura final

Tercera ley (Gay-Lussac)
La presión ejercida por una masa gaseosa es directamente proporcional a su temperatura absoluta, siempre que el volumen sea constante.
Formula interpretación:    P.T´ = P´.T
P = presión inicial
P´ = presión final
T = temperatura inicial
T´ = temperatura final

 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ecuación general del estado gaseoso.
En una masa gaseosa los volúmenes y las presiones son directamente proporcionales a sus temperaturas absolutas e inversamente proporcionales entre sí.
Formula Interpretación:
Despejando presión
P.V.T´ = P´.V´.T (a)
P.V/T = P´.V´/T´ (b)
P = P´.V´.T / V.T´ (c)
P´ = P.V.T´/ V´.T (d)
P = presión inicial
P´ = presión final
V = volumen final
V´ = volumen final
T´ = temperatura final
T = temperatura final