8.- Leyes de los gases ideales

1.- Introducción:
Nuestra vida transcurre bajo un manto gaseoso; la atmósfera. Tres cuartas partes de la superficie terrestre son líquidas: los océanos. El resto de la corteza es sólido: los continentes. El entendimiento de estos estados de la materia y de su interrelación resulta esencial para manejar adecuadamente las sustancias que nos rodean y que determinan algo crucial para la vida humana: el clima terrestre. En los procesos industriales y en objetos de uso común abundan también sólidos, líquidos y gases: en aerosoles, limpiadores, extinguidores, llantas de vehículos, gas doméstico, gases industriales y en el proceso mismo de la respiración. Con la aparición de los vegetales se inicio la reacción de fotosíntesis, en la que se producen oxígeno, azúcares y almidones a partir de CO2, agua y luz, con ello, la atmósfera perdió su carácter reductor y se oxidaron muchos de los metales que aún se encontraban en la superficie, adicionalmente, se formó la capa de ozono, que sirvió como "escudo" para proteger el subsiguiente desarrollo de la vida en la Tierra.
2.- PROPIEDADES GENERALES:

a).- Los gases se expanden uniformemente, pueden llenar cualquier recipiente, no importa que tan grande sea.

b).- Se difunden rápidamente uno en otro.

c).- Tienden a expanderse hacia puntos de menor presión.

d).- Ejercen presión sobre las paredes del recipiente que los contiene, la presión crece con la temperatura si el gas está encerrado en un recipiente rígido.

e).- A presión constante, el volumen de un gas crece con la temperatura.

f).- Se les puede comprimir, por debajo de cierta temperatura, llamada "critica", la compresión termina por licuarlos.

g).- Su densidad es pequeña comparada con la de los otros dos estados.

La comprensión del comportamiento de los gases es parte fundamental de la química moderna. Medir el volumen de un gas es equivalente a contar el número de moléculas existentes en ese volumen, y no es posible exagerar la importancia de esta clase de medida. Además, muchos compuestos y elementos de importancia industrial son gaseosos bajo las condiciones en que se utilizan. El trabajo del químico consiste en vincular las propiedades de los materiales a granel con las propiedades de las moléculas individuales. La teoría cinética de los gases es un ejemplo satisfactorio de la feliz interpretación de los fenómenos microscópicos en función de la conducta molecular. Por la búsqueda de la consecuencia matemática del hecho de que un gas consiste en un gran número de partículas que chocan con las paredes del recipiente que lo contiene, es posible derivar la Ley de Boyle, y obtener una comprensión más completa del concepto de temperatura. Al tratar de explicar por qué los gases no obedecen exactamente a la ley de Boyle, podemos conocer acerca del tamaño de las moléculas y de las fuerzas que ejercen unas con otras. De modo que este estudio nos conduce a conceptos más universales.

3.- MODELO DE LOS GASES IDEALES
El mundo real es tan complejo que aún el estudio del estado más sencillo de la materia, los gases, tiene que hacerse a través de un modelo, es decir, una abstracción de la mente humana que tiende a imitar una realidad, la cual podemos conocer a través de nuestros sentidos. Así el objeto de un modelo es el de simplificar la realidad para reducirla en lo posible a los principios fundamentales. Así, el modelo de un gas ideal contiene los siguientes principios:

1.- Se considera que un gas ideal no tiene volumen, es decir, éste es despreciable con respecto al recipiente que los contiene.

2.- Sus choques son completamente elásticos, es decir, no intercambian energía.

3.- Existen a altas temperaturas y bajas presiones.

4.- El aumento de temperatura provoca un aumento en la velocidad del gas y por lo tanto en su energía cinética.

5. - Siguen linealmente las leyes de los gases, esto es: Ley de Boyle, Charles, Avogadro.

4.- LEYES DE LOS GASES
En general, el volumen de cualquier material sólido, líquido o gaseoso, es determinado por la temperatura y la presión que soporta. Existe una relación matemática entre el volumen de una cantidad dada de material y los valores de la presión y la temperatura; esta relación matemática se llama ECUACION DE ESTADO, puede escribirse simbólicamente como:

V = V(T, P, n)

Que podemos leer como: V es una función de la temperatura, de la presión y del número de moles del material. En el caso de los líquidos o los sólidos, las ecuaciones son mucho más complicadas y difieren de una sustancia a otra. Pero los gases son únicos por cuanto que las ecuaciones de estado de todos ellos son aproximadamente iguales, esto se debe al hecho de que en el estado gaseoso las moléculas son esencialmente independientes unas de otras y, en consecuencia, la naturaleza particular de las moléculas individuales no afecta considerablemente al comportamiento general del gas.
Inevitablemente, la determinación de una ecuación de estado de los gases implica una medida de la presión, o fuerza por área que un gas ejerce sobre las paredes del recipiente que las contiene. Comúnmente, la presión de los gases se expresa en atmósferas o milímetros de mercurio como unidades de presión con la idea fundamental de fuerza por unidad de área, sólo se necesita examinar cómo se mide la presión experimentalmente.
La presión que ejerce la atmósfera de la tierra se mide comúnmente por el dispositivo llamado barómetro.
El tubo vertical que contiene el mercurio está totalmente vació de todo gas. La altura de la columna de mercurio, encima de la superficie de mercurio, está determinada por el requisito de que la fuerza debido al mercurio que está en la columna debe ser igual a la fuerza que ejerce la atmósfera circundante sobre el área unitaria de la superficie de mercurio. Bajo las condiciones atmosféricas ordinarias, al nivel del mar, esta altura está próxima a los 760 milímetros. Por consiguiente, se hace la definición arbitraria de que una atmósfera normal corresponde a 760 mm. de mercurio, cuando la temperatura es de 0ºC.

FUERZA = MASA X ACELERACIÓN = Densidad del Hg X h X A X g.

Donde h es la altura de mercurio; A el área que soporta la superficie del mercurio y g la aceleración de la gravedad.

1 atmósfera = 760 Torr = 1.0013 X 106 dinas/cm2 = 1.013 X 106 N/m2 = Pascal.

LEY DE BOYLE
La relación aritmética que existe entre la presión y el volumen de una cantidad dada de gas a una temperatura determinada fue descubierto por Robert Boyle en 1662. Boyle encerró una cantidad de aire en el extremo cerrado de un tubo en U, empleando mercurio como fluido en el recipiente, tal como se muestra en la figura superior. En este tipo de experimento, la presión que existe en el tubo cerrado es igual a la presión de la atmósfera más la presión ejercida por la columna de mercurio de altura h. Vertiendo más mercurio en el tubo más largo puede aumentarse la presión sobre el gas y anotarse la correspondiente disminución del volumen del gas. Boyle descubrió que el producto de la presión por el volumen de una cantidad fija de gas era un valor aproximadamente constante. También notó que el calentamiento de un gas aumentaba su volumen cuando se mantenía constante la presión. Sin embargo, él no investigó este fenómeno más allá, posiblemente debido al hecho de que la idea de la temperatura no estaba bien definida en ese tiempo. Sin embargo, la observación de Boyle relativa al efecto cualitativo del calentamiento de un gas fue importante porque demostró que, a fin de hacer determinaciones significativas de la relación entre presión y volumen, tenía que mantenerse constante la temperatura del medio circundante durante el experimento.

Observar los valores de la tabla de Boyle. De estos valores se pueden deducir que a una temperatura constante la cantidad de gas encerrado en un recipiente varia inversamente proporcional a la presión aplicada, esto puede escribirse así:

P.V = K (constante)
P1.V1 = P2 . V2 V1/ V2 = P2 / P1

Muy a menudo en las investigaciones experimentales se obtienen los datos como conjuntos de números (tales como valores simultáneos de P y V) que dependen mutuamente en cierto modo desconocido. Una técnica muy útil y conveniente para descubrir la relación entre una serie de valores simultáneos de la presión y el volumen consiste en representar los datos en un sistema de coordenadas rectangulares que tienen la presión y el volumen como ejes. Una curva continua que pasa por los puntos determinados experimentalmente puede entonces indicar la relación matemática entre dos variables. OBSERVAR LAS GRÁFICAS DE BOYLE:

La curva A se presenta como una hipérbola rectangular con los ejes coordenados como asíntotas. Como la ecuación algebraica que corresponde a la hipérbola tiene la forma xy = K, se deduce que para una cantidad fija de un gas a una temperatura constante, P.V = Constante, que es en efecto la Ley de Boyle. El trazado de la gráfica de la presión como una función del volumen es con frecuencia un modo útil de representar el comportamiento de un gas, pero tiene la desventaja de que es difícil, utilizando la vista, decir cuán cerca está cada curva experimental de una hipérbola perfecta. En consecuencia, es difícil decir si un gas obedece a la Ley de Boyle exacta o sólo aproximadamente. Este problema puede resolverse representando la presión como una función inversa del volumen, gráfica B.
Otro modo aún más útil de trabajar con estos datos experimentales es representar el producto de la presión y el volumen como una función, ya sea de la presión o de la inversa del volumen. La gráfica C muestra que para un gas que sigue exactamente la Ley de Boyle el resultado de esta gráfica sería una línea recta de pendiente cero. Los datos experimentales muestran que de hecho los gases obedecen a la Ley de Boyle muy estrechamente en el orden de las presiones investigadas. Cualesquiera que sean las desviaciones, se deben a las fuerzas que las moléculas ejercen mutuamente, y tienden a desaparecer cuando la densidad del gas se hace pequeña. En el límite de una presión muy baja a de un gran volumen, todos los gases siguen exactamente la Ley de Boyle.

LEY DE CHARLES Y GAY-LUSSAC
La relación matemática que existe entre el volumen de un gas y su temperatura, a una presión constante, se conoce como Ley de Charles y Gay-Lussac, y puede escribirse en la forma:

V = Vo(1 + at)

Aquí V es el volumen de una cantidad fija de un gas a presión constante, Vo es el volumen que ocupa a la temperatura de cero grados en la escala Celsius, alfa es una constante que tiene aproximadamente el valor de 1/273 para todos los gases, y t es la temperatura en la escala Celsius. Esta ecuación de estado establece que el volumen de un gas aumenta linealmente con su temperatura. Poder presentar este enunciado como un hecho experimental implica que se dispone de un conocimiento previo de cómo se mide la temperatura
En los gases, la dependencia del volumen respecto a la temperatura es considerablemente más sencilla que en los líquidos. Aún sin una escala de temperatura es posible determinar que el volumen de cualquier gas a la temperatura de ebullición del agua es 1.366 veces mayor que el volumen que se tenia a la temperatura del punto de fusión del agua. Lo importante aquí es que la constante de proporcionalidad es la misma para todos los gases. El hecho de que todos los gases se comporten igualmente cuando son sometidos a un cambio dado de temperatura sugiere que se deberían utilizar las propiedades de los gases para definir una escala de temperatura. Esto es exactamente lo que se hace, la expresión dada anteriormente para expresar la Ley de Charles y Gay-Lussac puede escribirse de nuevo del modo siguiente:

V = Vo(1 + at)
t = V - Vo/Voa

La segunda ecuación puede interpretarse diciendo que existe la temperatura t, que por definición, es una cantidad que aumenta linealmente con el volumen de un gas. Es decir, que en realidad la "ley" de Charles y Gay- Lussac no es una ley, sino una definición de la temperatura.
En realidad no todos los gases se comportan exactamente del mismo modo cuando cambia su temperatura; pero esas diferencias disminuyen cuando la presión se reduce, y, por lo general, son bastante pequeñas como para ser insignificativas en la mayoría de los casos. Aunque se pueden utilizar termómetros de gas para definir una escala de temperatura, se emplean otros dispositivos más convenientes para las medidas prácticas de la temperatura. SE PUEDE VER LA COMPARACIÓN DE TERMÓMETROS

LA ESCALA DE TEMPERATURA ABSOLUTA

La relación entre temperatura y el volumen de un gas puede ser simplificada definiendo una nueva escala de temperatura. Partiendo de la Ley de Charles se puede escribir.

V = Vo(1 + at) = [Vo(1/a) + t]/(1/a)

donde a es alfa

Para el cociente V1 /V2 del volumen de gas a dos temperaturas diferentes t1 y t2 obtenemos:

V1/V2 = [(1/a) + t1]/[(1/a) + t2]

Como se encuentra por experimentación directa que 1/a = 273.15 cuando t se expresa en grados celsius, entonces:

V1/V2 = [273.15 + t1]/[273.15 + t2]

La forma de esta ecuación sugiere que sería muy conveniente definir una nueva escala de temperatura por la ecuación:

T = 273.15 + t

La temperatura T se llama TEMPERATURA ABSOLUTA o temperatura en la escala Kelvin, y se denota por K. Utilizando la escala kelvin, la relación entre la temperatura y el volumen de una cantidad fija de gas a presión constante asume una forma muy simple:

V1/V2 = T1/T2

La deducción de este último enunciado es que el volumen de un gas disminuye a medida que T, la temperatura absoluta, disminuye (V a T), y que sería cero cuando T = 0, esto sugiere que la temperatura más baja posible es T = 0 K o bien, t = -273.15º C, ya que cualquier temperatura menor correspondería a un volumen negativo de gas, en realidad, a temperaturas muy bajas no se puede probar experimentalmente la ecuación anterior ya que todos los gases se condensan a líquidos cuando la temperatura se aproxima al cero de la escala kelvin. Sin embargo, argumentos mucho más detallados demuestran que -273.15ºC o 0 K, es la temperatura más baja concebible, y que en los experimentos prácticos no se puede alcanzar esta temperatura mínima sino tan solo aproximarse a ella. La temperatura más baja que ha sido alcanzada se reconoce generalmente que es de 0.0001 K en experimentos muy controlados.

LEY DE AVOGADRO
El trabajo de Gay-Lussac, publicado en 1808, proporciono lo que eventualmente llegó a ser la base para el establecimiento de las fórmulas moleculares. Una investigación de las reacciones gaseosas demostró que los volúmenes de combinación medidas bajo condiciones de temperatura y presión constante, quedaban en razón de números enteros y pequeños.

1 Vol. de N2 + 1 Vol. de O2 = 2 Vol. de NO

2 Vol. de H2 + 1 Vol. de O2 = 2 Vol. de H2O

3 Vol. de H2 + 1 Vol. de N2 = 2 Vol. de NH3

La presencia aparentemente inexorable de las relaciones de números enteros parecía a Gay-Lussac y a otros, que apoyaba a la teoría atómica, pero estos resultados encontraron mínimo apoyo de John Dalton. Dalton vio que las observaciones de Gay-Lussac, si eran correctas, implicaba que el número de partículas contenidas en volúmenes iguales de gases diferentes o bien eran iguales o bien eran múltiplos enteros de otros, sin embargo existía una segunda objeción. Dalton observó que de iguales volúmenes de nitrógeno y oxígeno se podían producir dos volúmenes de monóxido de nitrógeno. Si volúmenes iguales de gases diferentes contenían el mismo número de partículas, y si, como Dalton creyó, cada partícula de un gas elemental era un átomo indivisible, nos veríamos forzados a escribir:

Nitrógeno + Oxígeno = Monóxido de Nitrógeno
1 Volumen + 1 Volumen = 2 Volúmenes
n átomos + n átomos = 2 n moléculas

Las dos primeras líneas representan hechos experimentales; Dalton señaló que el último era una imposibilidad. La reacción de n átomos indivisibles nunca puede producir más de n partículas nuevas. Este razonamiento está basado en una suposición muy arbitraria: las "partículas" de los elementos son átomos individuales. Dalton prefirió no indagar acerca de la validez de esta suposición, y, en su lugar, rechazó la idea de "volúmenes iguales- números iguales" y los datos en los cuales estaba basada.
Un argumento en favor de la hipótesis "volúmenes iguales-números iguales de partículas" fue enunciado en 1811 por el Italiano Amadeo Avogadro, combinando esta idea con su nueva sugerencia de que los elementos gaseosos podían consistir de moléculas poliatómicas, Avogadro armonizó satisfactoriamente los datos de los volúmenes de combinación con el concepto del átomo indivisible, señalo que una vez que se admite que el nitrógeno y el oxígeno pueden ser poliatómicos, las relaciones volumétricas que acompañan a la formación del monóxido de nitrógeno pueden explicarse diciendo:

Nitrógeno + Oxígeno = monóxido de nitrógeno
1 volumen + 1 volumen = 2 volúmenes
n moléculas + n moléculas = 2 n moléculas
N 2 + O 2 = 2 NO
N 4 + O 4 = 2N2O2

De estos hechos experimentales el italiano Amadeo Avogadro llega a dos conclusiones fundamentales:

1. - Los gases como el Oxígeno, Nitrógeno, Cloro, Hidrógeno, Vapor de Iodo, no se encuentran como átomos, sino como moléculas diatómicas.

2. - "A las mismas condiciones de temperatura y presión, volúmenes iguales de gases diferentes contienen el mismo número de partículas"

De estas conclusiones se desprende que cuando el número de partículas o moléculas de un gas se duplica a temperatura y presión constante, el volumen también se duplica. Por lo tanto se desprende la

LEY DE AVOGADRO: El volumen de un gas es directamente proporcional al número de partículas (cuando la Presión y la Temperatura son constantes).

LA ECUACIÓN GENERAL DE LOS GASES IDEALES
Las medidas experimentales han demostrado que el volumen de un gas es una función de la presión, la temperatura y el número de partículas, bajo este contexto se han establecido diferentes leyes parciales que en su conjunto nos llevan a conocer y predecir las propiedades de los gases.

1. - Ley de Boyle: V a 1/P (A Temperatura y Número de partículas constante)
2. - Ley de Charles: V a T (A Presión y Número de partículas constante)
3. - Ley de Avogadro: V a n (A Presión y Temperatura constante)

Si conjugamos estas 3 Leyes podemos expresar las variaciones del volumen de un gas como:

V a n.T/P

Si queremos expresar esta relación como una igualdad debe introducir una constante, que en este caso llamaremos R o Constante Universal de los Gases Ideales.

V = n.R.T/P. o V. P = n.R.T

donde:
V = Volumen de un gas (lt)
P = Presión del gas (atmósferas)
n = Número de partículas (mol)
T = Temperatura absoluta (K)
R = Constante Universal de los Gases Ideales = 0.082 l.atm./ K.mol.

Microscopio Electrónico

Microscopía de barrido

Espectrógrafo de Masas

Dibujo del cálculo de la relación carga-masa de los electrones

7.- ¿Cómo se ha estudiado el interior del átomo?

Aunque la idea original de la palabra átomo no tiene la misma concepción en la actualidad, la palabra ha trascendido todos los experimentos y propiedades que hoy físicos y químicos reconocemos. Los átomos son parte fundamental de todo proceso químico su aceptación fue difícilmente asimilada en virtud de su enorme dificultad para "verlos" o "sentirlos" de acuerdo a nuestro mundo común y experiencia diaria.

Aunque en 1803 el inglés John Dalton describe su teoría atómica sustentada en evidencias experimentales que explican las Leyes de Combinación Química, su aceptación fue reducida, pues los grandes problemas de aquella época podían resolverse sin la ayuda del átomo. A pesar de los avances logrados en el siglo pasado en lo que se refiere al conocimiento de los Pesos Equivalentes; Pesos Atómicos; Pesos Moleculares; o el desarrollo de técnicas de análisis químico, análisis espectral, electrólisis, conductividad, etc., todavía quedaba un hecho inquietante; nadie podía ver los átomos ni detectarlos de alguna manera. Todas las pruebas a favor de los átomos eran indirectas, pero no existía una forma confiable de "ver los átomos".
A pesar de la gran pequeñez de los átomos (1X10-8 cm.) y la enorme cantidad de ellos que hay en cualquier muestra, la gran capacidad de los investigadores para diseñar experimentos así como para construir instrumentos ha llevado a deducir las incógnitas contenidas en el átomo.

1.- ESPECTRÓGRAFO DE MASAS.
El método del espectrógrafo de masas es capaz de dar los pesos atómicos más precisos. Una vez más, el principio del método es simple, pero su ejecución requiere el máximo de cuidado para que tenga éxito, el espectrógrafo de masas consiste de tres partes esencialmente: una fuente de iones gaseosos, una región "al vacío" donde los iones con diferentes masas son forzados a viajar por diferentes caminos, y el detector que registra las trayectorias seguidas por los iones.
La muestra a estudiar es inyectada cerca del filamento que emite electrones y ioniza la muestra por el impacto de electrones contra los átomos o moléculas, los iones positivos pasan por la primera ventana o rejilla y son inmediatamente impulsados hacia un campo magnético perpendicular a la trayectoria de los iones, estos iones siguen una curva determinada por la relación carga/masa del ion, una placa colectora, detrás de la segunda rejilla. Las magnitudes relativas de las señales eléctricas son una medida del número de las diferentes clases de iones positivos que hay en la muestra. Un buen ejemplo lo constituye el gas neón que consta de una mezcla de 3 isótopos:

10Ne-20; 10Ne-21; 10Ne-22

La diferencia fundamental entre los isótopos se encuentra en el número de neutrones que hay en el núcleo. Todos los átomos de neón tienen 10 electrones y 10 protones; el 90.92 % de los átomos tienen 10 neutrones; el 0.26 % tienen 11 neutrones y el 8.82 % tiene 12 neutrones. Como tienen diferente número de neutrones tienen diferente masa atómica; pero todos ellos tienen el mismo número atómico (10). Por eso son átomos de Neón. Otros dispositivos o métodos que nos inducen a pensar en la existencia de los átomos o a "verlos" son: el movimiento browniano; el radiómetro; los espectros de emisión atómica, el microscopio electrónico y el microscopio de barrido de tunelaje.

2.- MOVIMIENTO BROWNIANO
En 1827 el Botánico inglés Robert Brown observo con un microscopio el movimiento azaroso de los granos de polen suspendidos en agua. En 1860 Maxwell desarrolla la teoría estadística para explicar el comportamiento de los gases y Einstein en 1905 a la luz de esta teoría describe matemáticamente el movimiento browniano y pone de relieve la existencia real de pequeñisimas partículas que golpean de manera desigual la superficie del polen dándole su movimiento azaroso.

3.- RADIÓMETRO
A finales del siglo XIX el inglés William Crookes diseño un aparato que consiste de un bulbo de vidrio a baja presión que contiene una serie de hojas metálicas que forman un rehilete; una de sus caras se encuentra ennegrecida y la otra plateada o abrillantada. Cuando la luz es dirigida sobre las láminas, más energía se absorbe por el lado obscuro, activando las moléculas con un aumento de energía cinética. Entonces las moléculas golpearan preferentemente una de las caras y el rehilete empezara a girar. El instrumento es así sensible a la intensidad de la luz y nos introduce al estudio de los gases y el movimiento molecular.

4.- ESPECTROS DE EMISIÓN ATÓMICA
Cuando un tubo de descarga (conteniendo algún elemento en estado gaseoso) se le expone a una fuente de alta energía (5000 V a 3 mA) los átomos empiezan a emitir luz debido a las excitaciones electrónicas, la frecuencia de la luz emitida es característica de los niveles de energía del átomo en observación. Para ser observado un espectro de emisión atómico se utiliza un prisma de vidrio o bien una rejilla de difracción.

5.- IMÁGENES POR MICROSCOPIO ELECTRÓNICO
Ver directamente a los átomos es posible ahora gracias a los modernos microscopios electrónicos de alta resolución que pueden aumentar el tamaño de la imagen hasta 10 millones de veces. En este instrumento se utiliza el carácter ondulatorio de los electrones. Para ello los electrones emitidos por un filamento son acelerados y dirigidos por un conjunto de lentes electromagnéticas alineadas. La observación se efectúa directamente en una placa fotográfica o en una pantalla de televisión.

6.- EL MICROSCOPIO DE BARRIDO POR TUNELAJE
Los Químicos y Físicos tienen una amplia evidencia de la existencia de los átomos antes de que fuera posible la microscopia electrónica y de la microscopia de barrido por tunelaje. Ellos son capaces de “ver” los átomos a través de una amplia variedad de fenómenos, pero decir que ellos han visto los átomos tiene un significado especial. Lo habían visto `por la técnica de difracción de rayos X que es una manifestación de muchos átomos y un dibujo compuesto debido a la dispersión de los rayos X sobre varios planos de un cristal. Pero los Químicos y Físicos siempre han soñado sobre la posibilidad de ver los átomos individualmente de manera directa, es decir, ser capaces de producir imágenes con una correspondencia directa de la posición real de la muestra, este sueño se empezó a hacer realidad en 1950, en principio un esfuerzo espectacular reportado por Erwin Muller al usar un microscopio de campo ionico que él invento, el cual hace posible la imagen de átomos individuales en la superficie del cristal. El desarrollo final se debe a Gerd Binning y Henrich Rohrer de los laboratorios de investigación de la IBM de Suiza, recibiendo por esto el premio Nóbel de Física en 1986.
Este microscopio consiste de una aguja de tungsteno, tan delgada como la amplitud de un átomo, cuando esta aguja se acerca a la superficie de los átomos se aplica un pequeño voltaje, el tunelaje de los electrones se produce en virtud del paso de electrones de la aguja de tungsteno a la nube electrónica de los átomos donde se quiere obtener su imagen, por ajuste de la posición de la aguja de tungsteno se mueve a través de la superficie, mientras una corriente de tunelaje es mantenida, cuando esto sucede, la posición de los átomos son realmente medidos dando un dibujo de la superficie atómica.

6.- LEYES DE LA COMBINACIÓN QUÍMICA

INTRODUCCIÓN

Todas las ciencias incluyendo a la Química están sustentadas en un cuerpo de evidencias y hechos experimentales que le dan valides y rigor a las teorías y leyes que respaldan a una ciencia. El llegar a establecer una teoría, el descubrir una ley requiere de gran labor de análisis, curiosidad y diseñar el experimento correcto, después interpretar con rigor los resultados del experimento y formarse un cuadro teórico que pueda explicar de manera clara y sencilla los resultados obtenidos.
En este sentido la primera Ley de la Química descubierta por el químico francés Antoine Laurent Lavoisier tuvo que pasar todos los requisitos anteriores y además enfrentarse a un orden establecido por sus contemporáneos; una serie de pensamientos y concepciones erróneas que trataban de "explicar" los fenómenos químicos.

1.- ANTECEDENTES HISTÓRICOS.
La teoría de las cuatro "sustancias" o "principios fundamentales" defendida o perfeccionada por Aristóteles en el siglo IV antes de Cristo, se mantuvo en el fondo de todas las ideas sobre la naturaleza de las cosas hasta llegar al siglo XVII. Paracelso, médico y alquimista alemán, había defendido en el siglo XVI la existencia de un "principio de combustión" al que llamó "azufre", contenido por las sustancias capaces de arder. Las que no se quemaban, opinaba Paracelso, carecían de este "principio".
En el siglo siguiente los ingleses Robert Boyle y Robert Hooke estudiaron el fuego con profundo interés. Para Boyle, las ideas de Paracelso y los alquimistas eran producto de la ignorancia y el oscurantismo; rechazaba la existencia de las sustancias fundamentales, simples, entre las que se encontraba el fuego. Para los alquimistas el fuego representaba un medio de "matar la materia", de destruir su forma para dar origen a otra diferente.
En la época de Boyle el calentamiento de los metales se conocía como calcinación, Boyle hizo dos importantes observaciones: Que al calcinar el metal se consumía aire, y que la cal metálica pesaba más que el metal original. Conviene advertir que la Química del siglo XVI no era todavía una profesión, era una afición, una ocupación de los "filósofos de la naturaleza", farmacéuticos y médicos en su mayoría, preocupados por conocer la estructura y propiedades de la materia. En el siglo XVIII surgió la teoría del fuego (o Teoría del flogisto") y la combustión que seria considerada como una de las más perfectas del siglo XVIII, su máximo representante era el médico alemán Georg Ernst Stahl y su teoría se llamo del Flogisto. Proponía que las sustancias capaces de arder lo eran por contener un "principio de combustión" al que llamo flogisto, de la palabra griega Phlogistós, inflamable, que escapaba al aire o se trasladaba de una sustancia a otra durante la combustión a través de la flama. La calcinación de los metales iba acompañada de esa fuga mientras éstos se transformaban en la cal metálica correspondiente. La teoría del flogisto encontró apoyo en observaciones como la siguiente: añadiendo carbón, considerado como flogisto casi puro, a la cal metálica, y procediendo a la combustión, se recuperaba el metal original, observación que se interpretaba en el sentido de que "se había devuelto el flogisto anteriormente perdido" al transformarse el metal en cal metálica, y en consecuencia se había logrado la reversibilidad del proceso:

Metal (combustión) = flogisto liberado + cal metálica

Cal metálica + carbón (combustión) = metal (flogisto)

Así, creyéndose "iluminados", los investigadores de Química del siglo XVIII permanecieron en la más densa oscuridad respecto a las causas y efectos del fuego, hasta que llego Lavoisier a ordenar el caos.

2.- EXPERIMENTOS QUE REALIZO LAVOISIER
Empezó por "calcinar" estaño en un recipiente cerrado hasta transformarlo en "cal metálica" y, pesando cuidadosamente, demostró que el peso total del recipiente con su contenido no cambiaba a lo largo del proceso.
Razonando como lo haría un observador de la época pensaríamos que, de ser verdadera la existencia del flogisto, éste se habría desprendido del metal durante la calcinación, pero como el peso total del recipiente cerrado no se había modificado, dicho flogisto tenía que haberse quedado dentro, mezclado con el aire encerrado en el recipiente, llenándolo sobre cal metálica.
Lavoisier pensó que de ser así, la presión interior, la del aire encerrado, "debería haber aumentado". En esas condiciones, ¿Qué ocurriría al destapar el recipiente? El investigador francés razonó que el aire encerrado tendría que salir violentamente y entonces sé notaria la expulsión de la corriente de aire, sin embargo, al abrir el recipiente, ocurrió exactamente lo contrario, en lugar de salir, entró violentamente el aire del exterior al recipiente, Lavoisier razonó que la conservación del peso total antes de abrir el recipiente quedaba explicada al considerar que cierto peso de una sustancia había simplemente cambiado de lugar, del aire al metal, para hacerlo cal, después de destapar, al penetrar el aire del exterior, el peso total del conjunto debería pesar más, como efectivamente verificó Lavoisier, con estos resultados Lavoisier llega en 1789 a las siguientes conclusiones más sobresalientes:

1.- En todo proceso químico la cantidad total de reactivos y productos es constante (se conserva) antes y después del experimento.
2.- El aire esta compuesto de dos gases: Nitrógeno 78% y Oxígeno 22%; poco después se descubrió la presencia de Argón en 1%, por lo que hay de Oxígeno sólo un 21%.
3.- Lavoisier creyó, equivocadamente que el oxígeno era un constituyente esencial de los ácidos y por esta razón a este elemento le llamo Oxígeno. (Generador de ácidos).
4.- Comprobó experimentalmente que la parte activa del aire que entra en reacción química con los metales es el oxígeno y no la falsa idea de que los metales contenían una sustancia que los hacia arder o entrar en combustión llamado flogisto.
5.- Mostró que este mismo gas era indispensable para la respiración y que al entrar el oxígeno a los pulmones salía convertido en bióxido de carbono (CO2).

3.- ¿CÓMO INTERPRETO LAVOISIER SUS RESULTADOS?
En 1789 las ideas revividas de la teoría atómica eran aquellas propuestas en el siglo V antes de Cristo por Leucipo y Demócrito: En los fenómenos de transformación de la materia se hacia evidente que esta podía cambiar de forma pero no surgir de la nada o desaparecer en ella. La materia es eterna e indestructible.
Así podemos entender que en una reacción química sólo hay una recombinación o reordenamiento de átomos, pero la cantidad total de ellos permanece constante. Así establece la LEY DE CONSERVACIÓN DE LA MATERIA:

"En todo proceso físico o químico la cantidad total de materia antes y después del proceso es una cantidad constante, lo que implica que la materia no se puede crear ni destruir"

4.- LEY DE LAS PROPORCIONES FIJAS Y DEFINIDAS
Esta ley fue postulada por Joseph Proust (francés) y Benjamin Richter (alemán) en 1800, su presentación fue producto de las investigaciones sobre el análisis elemental de varios compuestos.
Hace dos siglos el inglés Henry Cavendish descubrió como descomponer el agua por electrólisis, es decir, que al pasar una corriente eléctrica a través del agua acidulada (para hacerla conductora) ésta se descomponía en hidrógeno y oxígeno y la proporción de volúmenes siempre era en una relación de 2 volúmenes de Hidrógeno y 1 volumen de Oxígeno, pero más importante aún era que no importaba la procedencia de la muestra de agua, ésta podía ser obtenida de un pozo, de la lluvia, un río, del mar, del deshielo de una montaña, etc. y el experimento revelaba que siempre existía la misma proporción de Hidrógeno y de Oxígeno (2:1). Así se encontró en principio que un mismo compuesto siempre tiene la misma proporción de átomos. Otro experimento realizado para validar esta idea se encuentra en la síntesis del bióxido de carbono (CO2) donde se puede dar una idea clara de la dificultad para obtener las masas de oxígeno y carbono que se combinan.
Supongamos el resultado experimental:
Masa del compuesto = Masa de C +Masa de O = 0.59 g
De donde, al despejar la masa del oxígeno, obtenemos: Masa de O = 0.43 g.
El porcentaje obtenido para este compuesto es:
% en masa de carbón = 27 %
% en masa de oxígeno = 73 %
Por lo tanto:

LEY DE LAS PROPORCIONES FIJAS
"En un compuesto dado, los elementos constituyentes se combinan siempre en las mismas proporciones de peso, no importando su origen o modo de preparación".
La ley de las proporciones fijas implica que los experimentos anteriores se pueden realizar en cualquier parte del mundo y sus resultados deben de ser los mismos, independientemente de las condiciones de reacción, las materias primas utilizadas y su procedencia. Finalmente esta ley la podemos explicar a la luz de la existencia de los átomos considerando que:
a). - Tienen los átomos diferente peso, por eso los encontramos en diferentes proporciones en peso en un compuesto.
b). El encontrar en cualquier muestra de un mismo compuesto siempre la misma cantidad implica que los átomos, se combinan en cantidades enteras, es decir, son INDIVISIBLES.

5.- LEY DE LAS PROPORCIONES MÚLTIPLES
Las reacciones químicas son controlables a través de parámetros como: la temperatura, presión, concentración de reactivos, presencia de catalizadores, etc. Si variamos los parámetros anteriores podemos obtener a partir de dos elementos, diferentes compuestos; si mantenemos el peso de uno constante, por ejemplo el carbono entonces:

1 gramo de carbono 1.333 g de Oxígeno

1 gramo de Carbono 2.667 g de Oxígeno

Se observa que la relación en que se encuentra el Oxígeno en los dos compuestos es 2:1
Otro ejemplo cuando el Oxígeno reacciona con el Nitrógeno para dar 5 compuestos diferentes, si mantenemos constante el peso de Nitrógeno entonces:

1 g de Nitrógeno 0.571 g de Oxígeno (1:1)
1 g de Nitrógeno 1.143 g de Oxígeno (1:2)
1 g de nitrógeno 1.714 g de Oxígeno (1:3)
1 g de Nitrógeno 2.285 g de Oxígeno (1:4)
1 g de Nitrógeno 2.875 g de Oxígeno (1:5)

Lo más relevante de estos experimentos es la aparición de números enteros en las proporciones de oxígeno de un compuesto a otro, así podemos definir la LEY DE LAS PROPORCIONES MÚLTIPLES:
"Si dos elementos forman más de un compuesto, los diferentes pesos de uno de ellos, que se combinan con un peso constante de otro, están en una razón de números enteros y pequeños".
Las implicaciones de estos experimentos y la ley deducida cuando se relaciona con la existencia de los átomos:
a). - Que se formen 2 o más compuestos a partir de dos elementos nos indica que los átomos tienen diferente capacidad de reacción (conocida como valencia).
b). - Que las proporciones de pesos nos de una relación de números enteros nos indican que los átomos se combinan en cantidades enteras, es decir, son INDIVISIBLES.

6.- LA LEY DE LOS PESOS EQUIVALENTES
Aunque es difícil exponer de manera sencilla esta ley, un análisis de ella aporta un apoyo significativo para la teoría atómica, fundamentalmente esta ley es el resultado experimental de observar las proporciones en que un mismo elemento reacciona con 2 diferentes elementos para formar compuestos, por ejemplo, el hidrógeno reacciona con el oxígeno para formar el agua, pero también puede reaccionar con el nitrógeno para formar amoniaco.

RAZONAMIENTO: Considérense dos elementos A y B, que pueden reaccionar entre sí y con una tercera sustancia C. Ahora bien, un peso constante de C reacciona con diferentes pesos de A y B, y la proporción del peso reaccionante de A con respecto a B es un número que generalmente no es entero; llamemos R a esta razón. Cuando A reacciona directamente con B la ley de las proporciones equivalentes dice que la razón r del peso reaccionante de A con respecto a B es igual a R, o es un múltiplo simple o una fracción de R. Esto es:

r = nR

donde n es un número entero o razón de números enteros. Un ejemplo de esta Ley hará que su significado sea más claro:
El nitrógeno (A) y el oxígeno (B) reacciona con el hidrógeno (C) para formar el amoniaco (NH3) y el agua (H2O) respectivamente. Un gramo de hidrógeno reacciona con 4.66 g de nitrógeno para formar amoniaco, y con 8.00 g de oxígeno para formar agua. Por tanto, R = 4.66/8.00 = 0.583. El nitrógeno y el oxígeno pueden formar 5 diferentes compuestos; consideremos la reacción:

N2 + O2 = 2NO

Donde 1.00 g de nitrógeno reacciona con 1.143 gramos de oxígeno, entonces la relación será: r = 1.00/1.143 = 0.875. De acuerdo con la ley de los pesos equivalentes, 0.875 = 0.583 n; donde n es un entero o relación de enteros:

n = 0.875/0.583 = 3/2

Las implicaciones de estos hechos experimentales y su relación con los átomos son las siguientes:

a). - El hecho de que un gramo de Hidrógeno no reaccione con un gramo de Oxígeno o un gramo de Nitrógeno (sino con 8.00 g y 4.66 g) sugiere que ellos no tienen el mismo peso atómico.

b). - Que la relación final n = 3/2 obteniéndose números enteros sugiere y confirma nuevamente que los átomos se combinan en cantidades enteras independientemente del tipo de compuestos que forman.

c). - Los números 3 y 2 representan las valencias de N y del O respectivamente, lo que indica que ellos tienen diferente capacidad de reacción.

d). - Las cantidades 4.66 g de Nitrógeno y 8.00 g de Oxígeno que se combinan con 1 g de Hidrógeno se le llaman PESOS EQUIVALENTES

Es sorprendente que si multiplicamos el peso equivalente por la valencia obtenemos el Peso Atómico de los dos elementos, es decir:

Peso Equivalente X Valencia = Peso Atómico

Definición: "Peso equivalente es el peso de un elemento que se combina o reemplaza a 1.00 g de Hidrógeno o bien a 8.00 g de Oxígeno".

TEORÍA ATÓMICA DE JOHN DALTON

John Dalton (1766-1844) profesor inglés que descubrió la Ley de las presiones parciales, la Ley de las proporciones múltiples, un primer modelo sobre la naturaleza de los gases y primordialmente, su teoría atómica
La importancia del pensamiento de John Dalton fue el interés en probar una idea por medio de la ejecución de un experimento cuantitativo, y su triunfo fue la comprobación de que diversos datos experimentales pueden ser resumidos en un limitado conjunto de generalizaciones sobre el comportamiento de la materia; la contribución de Dalton no fue que él propusiera una idea de asombrosa originalidad, sino que formulase claramente un conjunto de postulados concernientes a la naturaleza de los átomos; un conjunto de postulados que destacaban el PESO como una propiedad atómica fundamental. Así, haciendo una revisión de las leyes deducidas en el transcurso de los experimentos químicos llego a las siguientes conclusiones:

1.- LEY DE CONSERVACIÓN DE LA MATERIA
a) Toda la materia esta constituida de átomos.
b) Si toda la materia esta constituida de átomos, y la materia no se puede crear ni destruir entonces los átomos son INDESTRUCTIBLES.
c) Una reacción química sólo implica la redistribución y un nuevo ordenamiento de los átomos, por eso se observa una constancia de masa cuando ocurre una reacción química.
2.- LEY DE LAS PROPORCIONES FIJAS Y DEFINIDAS
a) Los átomos de diferentes elementos tienen diferente PESO.
b) Los átomos se combinan en cantidades enteras, es decir, son INDIVISIBLES.
3.- LEY DE LAS PROPORCIONES MÚLTIPLES
a) Los átomos tienen diferente capacidad de reacción, es decir, tienen diferente VALENCIA
b) La aparición de relaciones enteras indica la indivisibilidad de los átomos.
4.- LEY DE LOS PESOS EQUIVALENTES
a) Átomos de diferentes elementos tienen diferentes pesos.
b) Los átomos reaccionan en cantidades enteras, es decir, son indivisibles.
c) Tienen diferente capacidad de reacción.

LOS ACIERTOS Y LOS ERRORES DE DALTON

Después de tantos años de vigencia del modelo atómico de Dalton, varios de sus postulados han resultado tener errores, por ejemplo:

1.-Los átomos si son divisibles, pues tienen una estructura interna, están formados por partículas más pequeñas (neutrones, protones, electrones).

2. - Los átomos de un mismo elemento pueden ser diferentes, pues existen isótopos, cada uno de ellos con diferente masa.

3. - Con el descubrimiento de la radiactividad en 1896, y su interpretación, se supo que un átomo de un elemento si puede convertirse en uno de otro elemento, ya comentamos que todos los elementos se han formado a partir del hidrógeno.

4. - Dalton no consideró la posibilidad de que se formaran moléculas con átomos de un mismo elemento, como H2 o N2.

5. - Las leyes de la combinación Química (el número de átomos de un elemento que se combina con otros) se descubrieron años más tarde.

5.- ATOMO, ELEMENTO, ALÓTROPO, MASA ATÓMICA.

ATOMO

La observación de los cuerpos que nos rodean no nos permite concebir una estructura corpuscular de la materia. El aspecto de los objetos que nos son familiares -una hoja de papel, un trozo de madera o de acero, un líquido- nos haría pensar más en una distribución continua de la materia, por tanto resulta difícil explicar, a partir de tal hipótesis de continuidad, las propiedades de los diferentes cuerpos y sus transformaciones químicas y físicas, por ejemplo la compresión y expansión de los gases se explican fácilmente si se admite que están constituidos por partículas separadas entre sí por el vacío; sin embargo, los gases pueden pasar al estado sólido y líquido, por consiguiente la hipótesis de una estructura corpuscular debe ser válida respecto de todos los estados físicos, si tomamos sal y la disolvemos en un vaso de agua, el líquido homogéneo así obtenido será diferente del agua pura, este fenómeno se explica diciendo que la sal se divide en partículas elementales, las cuales son repartidas entre todas las partículas del agua.
Aunque la palabra átomo se ha utilizado desde la antigüedad el concepto moderno es:

"ÁTOMO ES LA PARTE MÁS PEQUEÑA DE LA MATERIA QUE INTERVIENE EN UNA REACCIÓN QUÍMICA"

ELEMENTO

Definición: Son los materiales que están constituidos de un sólo tipo de átomos.

En la tierra existen 90 elementos naturales y otros artificiales o sintéticos que podemos encontrar en la tabla periódica. Por ejemplo: carbón, plata, cobre, hidrógeno, azufre, oro, etc.

ALOTROPO

las diferentes formas que adquiere un elemento, aun en el mismo estado de agregación o estado físico, se le denomina ALÓTROPO o formas alotrópicas, y a este fenómeno se conoce como ALOTROPÍA. Por ser el caso más común, nos referiremos como ejemplo al carbón, del cual existen dos formas alotrópicas ampliamente conocidas: diamante y grafito, la existencia de ambas demuestra que las propiedades de las sustancias no dependen sólo de los átomos que las constituyen, sino también de cómo se encuentran arreglados, el grafito y el diamante de una joya sólo contienen átomos de carbono, pero ¡qué diferentes son ambos sólidos! el grafito es negruzco, brillante, quebradizo y buen conductor de la electricidad, mientras que el diamante es transparente, aislante y duro (tanto que permite cortar vidrio o bloques de granito), a pesar de las enormes diferencias, si se calienta un diamante hasta 1800°C, lentamente se convierte en grafito, que es el alótropo más estable, y a la inversa, aplicando presiones enormes, pequeñísimas muestras de grafito han podido transformarse en diamante. Recientemente se han detectado otras dos formas alotrópicas del carbono, no tan conocidas como las anteriores: carbón VI y fullerenos, el primero está constituido por una larga cadena de átomos de carbono en los que se alternan enlaces sencillos y triples, y se le ha encontrado en meteoritos y en depósitos terrestres de grafito, por su parte, los fullerenos han sido la novedad científica de la segunda mitad de los años ochenta; su síntesis se logró en 1985 mediante la evaporación del grafito por medio de un rayo láser. Uno de los fragmentos formados tenía 60 átomos de carbono y se encontró que poseía una estructura simétrica cuasi esférica, muy parecida al balón de fútbol, con pentágonos y hexágonos alternados, por esta razón se le da el nombre formal de Fullerenos en honor del arquitecto Richard Buckminster Fuller inventor del domo geodésico que tiene una estructura similar o más comúnmente futboleno.

LOS COMPONENTES DEL ÁTOMO
Los componentes de la partícula más pequeña que entra en una reacción química, el átomo, son: electrones, protones y neutrones.

Los electrones fueron descubiertos en 1896 por el físico ingles Joseph John Thomson tras una larga serie de experimentos que lo llevaron a concluir que toda la materia contiene una pequeña carga negativa, cuantificada poco después por el norteamericano Robert Andrews Millikan, ahora se sabe que los electrones son parte fundamental del átomo y sus características fundamentales son: masa = 9.10e-31 kg y carga = -1.60e-19 coulomb.
Los protones fueron descubiertos por el físico alemán Goldestein, también efectuando experimentos similares a los de Joseph John Thomson con los rayos catódicos, las características de los protones son: masa = 1.6724e-27 kg. y carga = +1.60e-19 coulomb.

Los neutrones fueron descubiertos por el físico ingles James Chadwick en 1932.

desde el descubrimiento del neutrón se sabe que todos los átomos contienen estas tres partículas fundamentales, en un átomo neutro, el número de electrones que se hallan girando alrededor del núcleo es igual al número de protones que se hallan dentro del núcleo. En 1927 con el desarrollo de la Mecánica Cuántica se sabe que las propiedades químicas están determinadas por la distribución de electrones que tiene el átomo en sus niveles de energía y es por esa causa que hay elementos muy parecidos entre sí, por ejemplo: Li, Na, K, Rb; otros: Cu, Ag, Au; otros: He, Ne, Ar, Kr, Xe
Los protones son los que determinan la identidad de cada elemento, son los protones los que marcan la diferencia fundamental entre un elemento y otro, así el único elemento que tiene 6 protones; el único elemento que tiene 8 protones es el oxígeno; el único elemento que tiene 20 protones es el calcio y el único elemento que tiene 79 protones es el oro. Ahora se entiende porqué los alquimistas invirtieron 300 años de frustraciones tratando de convertir el hierro en oro y es que el hierro tiene 26 protones y el oro 79.
NÚMERO ATÓMICO. - Es el número de protones que hay en el núcleo de un átomo y que numéricamente es igual al número de electrones en un átomo neutro.
Dos átomos con la misma carga nuclear (mismo número de protones), no deben tener necesariamente el mismo número de neutrones, como un neutrón no tiene carga eléctrica, no influye en el número de electrones en un átomo. Dos átomos con el mismo número de protones, pero números diferentes de neutrones se llaman isótopos del mismo elemento.
Existen 3 isótopos de Hidrógeno: hidrógeno (un protón); deuterio (un protón y un neutrón) y tritio (un protón y dos neutrones). Se puede ver que todos tienen un protón y por eso se caracterizan como hidrógeno, pero al tener diferente número de neutrones deben poseer diferente peso, así podemos definir:
MASA ATÓMICA.- Es la suma de protones y neutrones que hay en el núcleo atómico.
De esta definición debemos entender que el peso o masa atómica que viene en la tabla periódica sólo es el promedio de los pesos atómicos de los isótopos de cada elemento.
¿Qué función desempeñan los neutrones dentro del núcleo? Aunque los neutrones fueron descubiertos en 1932 no se entendía cuál era su función en el interior del núcleo, hasta que en 1947 el físico japonés Heideki Yukawa explico su presencia por las fuerzas de intercambio, más poderosas que las gravitacionales o las fuerzas eléctricas, en ellas continuamente se están intercambiando o interconvirtiendo los protones en neutrones y los neutrones en protones para reducir al mínimo las fuerzas de repulsión eléctricas y estabilizar el núcleo atómico que de otra manera se desintegraría.
MASA ATÓMICA Y MASA NUCLEAR.
El número de masa o peso atómico es una indicación aproximada de la masa de un átomo. Las medidas indican que los átomos que contienen muchos protones y neutrones no son múltiplos enteros de la masa del Hidrógeno, las medidas reales de la masa se efectúan con un espectrógrafo de masas, instrumentos que usan una combinación de campos eléctricos y magnéticos para ejercer fuerza sobre átomos ionizados de acuerdo a la masa de dichos iones se produce una deflexión (curvatura) que es proporcional a su masa atómica.
LA UNIDAD DE MASA ATÓMICA.
Aunque es posible la medición absoluta de la masa atómica en gramos, es mucho más fácil usar medidas relativas, por este motivo, las masas atómicas se dan usualmente en términos de una masa asignada arbitrariamente. Históricamente, las medidas de masa relativa de diversos tipos de átomos precedieron a las medidas absolutas, ya que esto pudo hacerse por métodos químicos simples, se eligió una escala basada en el oxígeno, tomando la masa del átomo de oxígeno exactamente como 16 unidades de masa atómica (uma), de modo que una uma = 1/16 de la masa del átomo de oxígeno. Todo fue muy bien hasta el descubrimiento de los isótopos y, de modo especial, hasta el descubrimiento hecho en 1929 por Giauque y Johnston de que el oxígeno consiste de tres isótopos que son O16, O 17 y O 18. Así, los pesos atómicos de los elementos químicos no habían sido medidos con precisión. En la actualidad se acepta una nueva unidad de masa atómica, abreviada u, y es exactamente 1/12 de la masa de C12. En esta escala el oxígeno pesa 15.99491 u.

4.- Temperatura

TEMPERATURA

En 1714 el danés Daniel Gabriel Fahrenheit fue el primero en desarrollar una escala termométrica para distinguir que tan "frío" o "caliente" esta un objeto, él utilizó una columna de vidrio llena de mercurio y el cero grados (hoy llamado 0°Fahrenheit) lo estableció con la temperatura más baja que le fue posible obtener en el laboratorio, esto se hizo con una mezcla en partes iguales de Hielo/cloruro de amonio y 100°F los marco con la temperatura de su propio cuerpo, al saber que los seres humanos tenemos una temperatura corporal constante.
En 1742 el astrónomo sueco Anders Celsius diseño un termómetro más confiable y sustentado en propiedades físicas de la materia, además de usar vidrio capilar para mejorar la observación y una más rápida respuesta a los cambios de temperatura. Celsius tomó para marcar los 0°C el punto de fusión del agua, es decir, el punto donde el agua sólida (hielo) se encuentra en equilibrio con el estado líquido, los 100°C se establecieron cuando el agua llega a su punto de ebullición, es decir, cuando la presión de vapor de vapor del líquido esta en equilibrio con la presión atmosférica. Los termómetros modernos están basados en esta escala llamada indistintamente centígrada o Celsius; se utiliza como material sensible el mercurio, por ser un metal líquido que se expande o contrae con el aumento o disminución de la temperatura, aparte de ser buen conductor del calor su brillo lo hace muy distinguible.
Finalmente la escala científica para medir la temperatura es la Kelvin que esta basada en la Ley de Charles y Gay-Lussac. Estos dos investigadores encontraron en el siglo pasado la relación matemática que existe entre el volumen de un gas y su temperatura, a presión constante y se puede escribir como:

V = Vo(1 + a t)

Aquí V es el volumen de una cantidad fija de un gas a presión constante, Vo es el volumen que él ocupa a la temperatura de cero grados en la escala Celcius, alfa es una constante que tiene aproximadamente el valor de 1/273 para todos los gases, y t es la temperatura en la escala Celcius, esta ecuación de estado establece que el volumen de un gas aumenta linealmente con su temperatura. En los gases, la dependencia del volumen respecto a la temperatura es considerablemente más sencilla que en los sólidos y en los líquidos, el hecho de que todos los gases se comporten igualmente cuando son sometidos a un cambio dado de la temperatura sugiere que se deberían utilizar las propiedades de los gases para definir una escala de temperatura, esto es exactamente lo que se hace, la expresión dada anteriormente para expresar la Ley de Charles y Gay-Lussac puede escribirse de nuevo como:

t = ( V - Vo )/Vo

Esta ecuación puede interpretarse diciendo que existe la temperatura t, que por definición, es una cantidad que aumenta linealmente con el volumen de un gas.

¿QUE ES LA TEMPERATURA?

Finalmente reconocer y comprender que cosa era la temperatura llevó más de 150 años después del diseño del primer termómetro y esto fue resuelto bajo la teoría cinética de los gases ideales, en la que se hizo patente que es el movimiento molecular y los choques caóticos los que producen el efecto del calor y que este fenómeno es lo determina la temperatura. La Teoría Cinética de los gases desarrolló las ecuaciones necesarias que relacionan las leyes de los gases con el movimiento molecular y llega a la ecuación: mv / 2 = 3kT/2, donde m es la masa de las moléculas, v, su velocidad, k se le llama constante de Boltzman y resulta de la división de la constante universal de los gases y el número de Avogadro R/N, finalmente T es la temperatura absoluta o Kelvin. Esta ecuación nos muestra que hay una relación entre la velocidad de un gas con la temperatura. Un hecho importante es que debido al inmenso número de moléculas que existe en un volumen dado y al carácter estadístico de su velocidad, la temperatura sólo nos mide el promedio de las velocidades moleculares o más claro: La temperatura mide el promedio de la energía cinética de las moléculas.

IMPLICACIONES

El hecho de que el movimiento molecular que determina la temperatura tenga un carácter estadístico, es decir, que presentan diferente energía cinética provoca algunos hechos interesantes, por ejemplo:
a). - El agua se evapora a cualquier temperatura y eso lo podemos comprobar por los bloques de hielo que se forma en las paredes del congelador.
b). - Cuando calentamos agua hasta que hierva (punto de ebullición) no se evapora toda al mismo tiempo, porque no todas las moléculas tienen la misma energía cinética para evaporarse.
c). - Cuando llueve el agua se evapora a temperatura ambiente y no necesita llegar al punto de ebullición para evaporarse.
d). - Los perfumes deben sus propiedades odorantes a su rápida evaporación en la que se hallan disueltas las fragancias.
e). - La presencia de las nubes nos demuestra que el agua de los ríos, lagos y mares se evapora en virtud de su diferente energía cinética y por ello grandes volúmenes se ven suspendidas en la atmósfera.

3.- Las energías alternativas

ENERGIA SOLAR
Cada año, la superficie de la Tierra recibe de la luz solar una energía que viene a ser diez veces la que contienen juntas las reservas conocidas de carbón, petróleo, gas natural y uranio, y 15,000 veces el consumo anual de energía en el mundo, se llevan quemando madera y otras formas de biomasa miles de años, lo que es una manera de sacar provecho de la energía solar, pero del Sol también proviene las energías hidráulica, eólica y fósil; todas las formas, en realidad, menos la nuclear, la geotérmica y mareas.
OPCIONES DE LAS NUEVAS ENERGIAS
· Eólica.
· Hidráulica.
· Termosolar.
· Fotoeléctrica.
· Biomasa.
· Gradiente de temperatura.
· Gradiente de concentración.
· Nuclear.
No es nuevo que se intente sacar partido de la energía solar, en 1861, Augustin-Bernard Mouchot, profesor del liceo de Tours, obtuvo la primera patente de un motor movido por ella, otros pioneros investigaron también su uso, pero las ventajas del carbón y del petróleo eran abrumadoras, por ello, cayo en el olvido hasta que la crisis de los años setenta amenazó las grandes economías. El desarrollo económico depende de la energía, se prevé que hacia el 2025 la demanda mundial de combustible habrá crecido en un 30 por ciento y la de electricidad, en un 265%, aunque se avance en las mejoras de uso y conservación, se requerirán nuevas fuentes de energía, la solar podría ofrecer el 60% de la electricidad y hasta el 40% del combustible. La utilización de técnicas solares más depuradas redundará beneficiosamente en el problema de la contaminación atmosférica y en el del cambio climático global, en los países subdesarrollados podría aliviar el daño que causan al medio las prácticas derrochadoras de quema de materia vegetal para cocinar y calentar.
Las técnicas solares avanzadas usan, en potencia, menos tierra que el cultivo de biomasa: La fotosíntesis capta alrededor de menos del 1% de la luz solar disponible; las técnicas solares modernas llegan, en el laboratorio al menos, a rendimientos del 20 al 30%, lo bastante altos para que, a modo de ejemplo, los Estados Unidos satisficieran su demanda actual de energía dedicando menos del dos por ciento de sus tierras a la captación de energía. No es probable que predomine una sola técnica solar, las variaciones económicas y las diferencias en la luz solar de unas regiones a otras harán que en cada una de ellas lo natural sea inclinarse por unos métodos o por otros. Es posible generar electricidad quemando biomasa, levantando turbinas eólicas, construyendo motores térmicos alimentados solo por el sol, disponiendo células fotovoltaicas o domeñando la energía de los ríos con presas.
El hidrógeno combustible se puede producir con células electroquímicas o mediante procesos biológicos -en los que intervienen microorganismos o enzimas- que activen la luz solar. Combustibles del estilo del etanol y metanol se generan a partir de la biomasa o mediante otras técnicas solares.
La energía solar esta también, en forma de olas y gradientes de temperatura y salinidad, en los océanos, reservas potenciales a explotar. Si bien la energía almacenada, aunque enorme, no se halla concentrada y resulta muy difícil de extraer.
Se pueden quemar desechos agrícolas o industriales para mover las turbinas con el calor que generen. Las virutas de madera, por ejemplo, una instalación así será competitiva con respecto a la producción corriente de electricidad donde la biomasa sea barata. Ya existen muchas, y están encargadas más. Hace poco se terminó en Suecia una moderna central de energía que usa madera gasificada para alimentar un motor de chorro, convierte el 80% de la energía de la madera en seis megawatts de electricidad y nueve megawatts de calor para la ciudad, la combustión de biomasa puede contaminar, pero con esta técnica resulta sumamente limpia.
El progreso de la ingeniería de la combustión y de la biotecnología ha hecho que también sea económica la conversión del material vegetal en combustibles líquidos o gaseosos. Es posible gasificar productos forestales, “cultivos de energía”, residuos agrícolas y otros desechos y utilizarlos para sintetizar metanol.
Se desprende etanol cuando fermentan los azúcares, derivados de la caña de azúcar, de diversos cereales o de la madera (mediante la conversión de la celulosa).
Los alcoholes se mezclan ahora con gasolina para aumentar el rendimiento de la combustión en los motores de los coches y reducir las emisiones del tubo de escape. Pero por sí solo el etanol puede ser un combustible eficiente, como han demostrado los investigadores brasileños. En el futuro, es posible que gracias a las plantaciones de biomasa se “cultive” esa energía en las tierras degradadas de las naciones en desarrollo. Los cultivos de energía podrían además propiciar una mejor gestión de las tierras
La dificultad estriba, empero, en lograr con regularidad cosechas grandes en climas dispares. Aun teniendo en cuenta las innovaciones técnicas siguen en pie dudas sobre el grado de utilidad de la biomasa. La fotosíntesis es en sí misma ineficiente y requiere un aporte muy grande de agua. Un estudio encargado por Naciones Unidas concluía que la biomasa podría satisfacer hacia el 2050 el 55% de las necesidades energéticas mundiales, pero la realidad dependerá de qué otras opciones se disponga.

ENERGÍA EÓLICA
Un 0.25%, más o menos, de la energía del Sol que llega a la baja atmósfera se transforma en viento; una parte minúscula del total, pero, con todo, una fuente de energía considerable. Según un cálculo aproximado, el 80% del consumo eléctrico de los Estados Unidos podría quedar cubierto con la energía eólica de Dakota del Norte y del Sur solamente.
Los problemas que en un principio rodearon la fiabilidad de los “parques eólicos” han sido en general resueltos, y en ciertos lugares el costo de la electricidad producida es ya competitivo comparado con el del proceso corriente de generación.
En las zonas de viento fuerte 7.5 m/s la electricidad de los parques eólicos en kilowatt-hora, resulta barata, pero aún podrá recortarse más. En California y Dinamarca, más de 17,000 turbinas eólicas están ya integradas en las redes de las compañías eléctricas.
Entre los primeros usos de la energía eólica estará con mucha probabilidad el que se hará de ella en las islas u otras áreas alejadas de la red eléctrica. A mediados del próximo siglo la energía eólica podría suministrar del 10 al 20% de la demanda energía eléctrica.
La limitación más importante de la energía eólica es su intermitencia. Si constituyese más del 25 al 45% del suministro total de energía, cualquier escasez causaría perjuicios económicos graves. Con mejores medios de almacenamiento de la energía el porcentaje de energía eólica utilizada en la red podría aumentar substancialmente.

ENERGÍA TERMOSOLAR
Una forma de generar electricidad es impulsar un motor con el calor radiante y la luz solares. Estos dispositivos termosolares presentan cuatro componentes básicos: un sistema colector de luz solar, un receptor que la absorbe, un aparato que almacena el calor y un conversor que lo transforma en electricidad.
Hay tres configuraciones de colector básicas: un disco parabólico que la enfoca en una línea y una serie de espejos planos dispuesta a lo ancho de varias hectáreas que la refleja hacia una misma torre. Estos dispositivos convierten entre un 10 a un 30% de la luz solar directa en electricidad, pero queda mucho por investigar sobre su duración y fiabilidad, un problema técnico concreto es el de elaborar a bajo precio un motor de Stirling (donde el gas contenido en un sistema cerrado recibe continuamente calor desde el exterior) cuyo rendimiento sea bueno.
Los estanques solares, otra fuente térmico-solar, contiene cerca de su fondo agua muy salina. Lo normal es que el agua caliente suba a la superficie, donde se enfría, pero la salinidad hace que el agua sea mas densa; puede así haber en el fondo agua caliente, que retendrá entonces su propio calor. El estanque atrapa el calor radiante del Sol y se crea un fuerte gradiente de temperatura, se extrae el fluido caliente y salado del fondo, y se deja que se evapore; el vapor impulsa un motor de ciclo de Rankine, similar al instalado en los coches, el líquido frío de la parte superior sirve para acondicionar el aire.
Un producto secundario de este proceso es la obtención de agua dulce a partir del vapor. Los estanques solares están condicionados por la gran cantidad de agua que necesitan. Bueno para países como Israel que además de energía necesita agua dulce.

ENERGÍA FOTOELÉCTRICA
La conversión de la luz directamente en electricidad se le denomina efecto fotoeléctrico y fue descubierta por Edmond Becquerel en 1839, hoy se hacen dispositivos semiconductores de Silicio y Germanio con voltajes y rendimientos altos. El record actual de eficiencia fotovoltaica es de más del 30 % (recordemos que la fotosíntesis es del 1%). Pero a pesar de esto el principal problema es de orden económico porque aún son dispositivos caros. Los dispositivos fotovoltaicos que funcionan hoy son sistemas de placa plana. Algunos giran para seguir al Sol, pero la mayoría carece de partes móviles.
La luz solar, el viento y la hidroenergía varían intermitentemente, con las estaciones e incluso a lo largo del día. También fluctúa la demanda de energía; sólo cabe lograr que la oferta y la demanda coincidan por medio del almacenamiento. Con la excepción de la biomasa, los sistemas solares más prometedores a largo plazo están diseñados para producir sólo energía eléctrica. La electricidad es el vehículo de la energía preferido para la mayoría de las aplicaciones estacionarias - calentar, enfriar, iluminar, en la maquinaria-, pero no es fácil guardarla en las cantidades adecuadas. Para emplearla en el transporte, se requiere de un medio de almacenamiento ligero de gran capacidad.
La luz solar sirve también para producir hidrógeno combustible. Las técnicas que se necesitan para hacerlo directamente (sin generar electricidad antes) están en sus primerísimas etapas de desarrollo, pero a largo plazo quizá resulte de las mejores. Al dar la luz solar en un electrodo se produce una corriente eléctrica que divide el agua en hidrógeno y oxígeno; a este proceso se le llama fotoelectrólisis.
Con la palabra “fotobiología” se describe una clase entera de sistemas biológicos que producen hidrógeno. La investigación podría conducir a fotocatalizadores con los que la luz solar divida el agua directamente en sus elementos componentes. Cuando el hidrógeno resultante se quema o se usa para producir electricidad en una célula de combustible, el único producto secundario es el agua. Además de ser benigno para el medio ambiente, el hidrógeno proporciona una manera de aliviar el problema de almacenar energía solar. Puede mantenerse con eficacia el tiempo que se quiera. Cuando las distancias pasan de los mil kilómetros cuesta menos transportar hidrógeno que transmitir la electricidad. En varias islas se han elaborado planes para hacer electricidad con turbinas eólicas y convertirlas en hidrógeno a fin de almacenarlas. Además, las mejoras de las células de combustible han permitido una serie de usos de alto rendimiento, no contaminantes, del hidrógeno; los vehículos eléctricos alimentados con él son un ejemplo. Actualmente, las naciones industrializadas consumen por persona diez veces la energía que se emplea en las naciones en desarrollo. Pero la demanda de energía crece de prisa en todas partes. Gracias a las técnicas solares, el Tercer Mundo podría saltarse una generación de infraestructuras y pasar directamente a una fuente de energía que ni contribuye al calentamiento global ni degrada de ninguna otra forma el entorno.

PREGUNTAS
1-¿Qué tipo de energéticos usas en tu casa?
2.-¿Cuál es el principal energético que usa nuestro cuerpo?
3.-Menciona 6 tipos diferentes de energía y da un ejemplo de cada tipo
4.-¿Cuáles son las energías que hay en la Tierra que no son originadas por el Sol?
5.-¿Cuál crees que seria una buena fuente de energía del futuro para usarla en tu casa?
6.-¿Qué es la biomasa?

Bibliografía básica

BIBLIOGRAFÍA BASICA

1.- Raymond Chang, 1999, QUIMICA, Ed. Mc Graw Hill, México.


2.- Brown T. L., Lemay H. E. 1998 QUIMICA. LACIENCIA CENTRAL. Ed. P.C.S.A.


3.- Keenan-Kleinfelter-Wood, QUIMICA GENERAL UNIVERSITARIA. Ed. C:E:C:S:A:


4.- Bruce H. Mahan. CURSO UNIVERSITARI DE QUIMICA. Ed. Fondo Educativo Interamericano, S. A.


5.- James E. Huhey, QUIMICA INORGANICA, Ed. Harla.


6.- Jerome L. Rosenberg, TEORIA Y PROBLEMAS DE QUIMICA GENERAL, Ed. McGraw-Hill, Serie Schaum.


7.- Kolts & Treichel, Chemistry & Chemical Reactivity, Third Edition, Saunders Collage Publishing.


8.- John C. Kolts y Paul M. Treichel, Química y Reactividad Química, Quinta Edición, Editorial Thomson.

2.- ¿Que podemos explicar con la química?

¿QUÉ PODEMOS EXPLICAR CON LA QUÍMICA?
Como la Química es una ciencia que se dedica al estudio de la materia y su relación con la energía, ella nos puede explicar esencialmente todo. Es decir, toda la materia que nos rodea funciona bajo principios y leyes generales que le dan sus propiedades características y aquellas propiedades que no puede en la actualidad explicar la química se convierten en un reto para el investigador y deben ser objeto de estudio científico.
La Química puede explicar: Los puntos de fusión, los puntos de ebullición, densidad, los colores de diferentes materiales y elementos, que provoca las propiedades ácidas o básicas de las sustancias, a que se debe el magnetismo del Fe, porque son excelentes conductores el Cu, Ag y Au; las propiedades medicinales de la aspirina, que provoca la vejes en el ser humano, mediante que mecanismos el DNA se autoreproduce, que efectos tienen los gases y desechos industriales en los ecosistemas, porqué la crema suaviza la piel, porque el jabón limpia las grasas, porque el diamante es tan duro o el plomo es tan suave, etc.
Existen algunas teorías que han logrado sorprender a la opinión pública y que han sido confirmadas por el conocimiento de la química, entre ellos podemos mencionar tres: a) La desaparición de los dinosaurios, b) La formación del sistema solar, c) El origen de la Luna.

A) DESAPARICIÓN DE LOS DINOSAURIOS.
Dentro de las disciplinas paleontológicas, los especialistas han vertido diferentes opiniones acerca de la extinción de los dinosaurios, una de las teorías más mencionadas en el ámbito internacional es la planteada por el doctor Luis Alvarez, investigador de la Universidad de Berkeley y Premio Nobel de Física, y sus colaboradores, ellos señalan que la desaparición de estos impresionantes animales y de otras especies de flora y fauna ocurrió como consecuencia del impacto de un gigantesco asteroide o meteorito contra la Tierra, este impacto quizás sucedió en Chicxulub, Yucatán, donde existe la estructura más grande, hasta ahora conocida, en la Tierra, sumergida bajo el mar. Hace 65 millones de años viajando a una velocidad de 20 o 30 kilómetros por segundo, un objeto celeste de diez kilómetros de diámetro chocó contra la Tierra, fue como si hubieran estallado 300 millones de bombas de hidrógeno, el impacto provocó un cráter de entre 150 y 300 kilómetros de diámetro, con una profundidad entre 1,100 y 1,400 metros, aproximadamente 200 metros de agua oceánica se levantaron para formar una ola gigante arrasadora de todo lo que hubiera en la costa, una inmensa nube de polvo levantada por el impacto tapó la entrada de los rayos solares y se oscureció, la temperatura bajó a 20 o 30 grados bajo cero. El carbonato y el sulfato de calcio existentes en los sedimentos de Yucatán se mezclaron con otros elementos de la atmósfera al ser impulsados hacia arriba por el choque y dieron lugar a la lluvia ácida, en este desastre murieron más del 70% de las especies marinas y terrestres, su descubrimiento fue inducido por la composición química encontrada en las capas correspondientes a esa época.
El doctor Álvarez público en la revista Science (1980) que una gran cantidad de Iridio y Niobio se encontraba en la arcilla de hace 65 millones de años, inicialmente esto se descubrió en Gubio, Italia; pero poco después esta característica anómala se encontró en prácticamente todo el mundo, en especial el Iridio y Niobio son característicos de los meteoritos y en los núcleos de los cometas. En diciembre de 1991 PEMEX dio rocas de un pozo de Yucatán a la UNAM, que en conjunto con la NASA comprobaron que el cráter de Chicxulub es una estructura de impacto de 65 millones de años, el cuarzo contenido en las rocas de este cráter revelan rayas paralelas que corren en diferentes direcciones y que son características de fuertes impactos. Además contienen altas concentraciones de Iridio.

B) LA FORMACIÓN DEL SISTEMA SOLAR.
Las características químicas que presenta el sistema solar dan la pauta para un modelo y teoría de ¿Cómo? se formó. Entre las regularidades que presenta el sistema solar destacan las siguientes:
a). - Todos los planetas se mueven en el mismo plano que coincide con el ecuador del Sol.
b). - Todos giran en la misma dirección que es contraria a las manecillas del reloj, viendo el plano por encima del Polo Norte y que coincide también con la dirección de rotación del Sol.
c). - Los cuatro planetas interiores (Mercurio, Venus, Tierra, Marte) son pequeños, rocosos y pesados, mientras que los planetas exteriores (Júpiter, Saturno, Urano, Neptuno) son gigantes, gaseosos y ligeros.
La composición Química de los planetas y que en la mayoría de los casos es obtenida por la luz que refleja cada planeta, revela que los elementos de los planetas fueron formados en la explosión de una supernova, que es el mecanismo de nucleosíntesis que puede explicar la presencia de oro, plomo, radio, polonio, uranio, encontrados en la Tierra. Por otro lado la diferente composición planetaria es explicada por las características químicas que presentan las diferentes sustancias químicas. Inicialmente se formaron conglomerados planetarios alrededor de una inmensa masa central (protosol) cuando la contracción gravitacional calentó los gases hasta los 10 millones de grados empezaron a suceder las reacciones nucleares y el Sol se incendio, esto causo que la atmósfera de los planetas más cercanos al Sol se evaporara literalmente y que sólo dejara sus núcleos desnudos, sólidos, rocosos y pequeños; por otro lado los planetas más alejados del Sol se encontraban en regiones más frías donde los gases pueden condensarse (temperaturas de -150 K), así por atracción gravitacional los planetas exteriores fueron recogiendo todos los gases evaporados de la región interior e incrementaron su tamaño, convirtiéndose en planetas gigantes, ligeros y gaseosos.
C) EL ORIGEN DE LA LUNA
Uno de los secretos más intrigantes es el origen de la Luna, por muchos años los científicos habían pensado que la Luna se había formado de la misma nube original que formó a la Tierra y que desde entonces ella gira alrededor de nuestro planeta; otra idea era que la Luna vagaba muy cerca de la Tierra y fue atrapada por ella debido a su mayor masa y más intenso campo gravitacional, pero los viajes del Apolo a la Luna demostraron que las muestras recogidas no se ajustaban a ninguna de estas ideas.
Las ideas anteriores fallaban en los aspectos químicos, según decía Jay Melosh, un científico planetario de la Universidad de Arizona, Melosh sugirió la hipótesis de un impacto gigantesco, primero sugerido a mediados de los setenta, pero no gano amplia aceptación hasta una década después, cuando trataron de explicar la química de la Luna, por ejemplo, explicar porque faltan en la Luna los elementos pesados comunes en la Tierra, de acuerdo al modelo de Melosh, un poco después de formada la Tierra, unos 4,500 millones de años, un planeta de cerca de 1.5 veces más masivo que Marte (o 15% más masivo que la Tierra) se impacto contra la Tierra en un ángulo oblicuo, el impacto vaporizó una gran parte de la corteza terrestre y del manto superior, arrojándolo hacia el espacio a gran velocidad, el choque también aceleró la rotación y quizás fue la causa de la inclinación de la Tierra con respecto al plano de translación, el impacto impulsó gran cantidad de material ligero de las capas exteriores de la Tierra, por eso falta hierro y níquel en la Luna que son los principales componentes del núcleo de la Tierra. El material expulsado hacia el espacio se depositó dentro de un disco caliente alrededor de la Tierra y relativamente cercano, el disco se enfrío completamente y el vapor condensado formó un delgado anillo de pequeñas partículas. En quizás sólo unos cientos de años o menos, estas partículas coalescieron (se juntaron) formándose la Luna.

DEFINICIONES

QUIMICA. - Es la Ciencia que estudia la materia así como los cambios y transformaciones que le ocurren por la acción de la energía.
En esta definición se presentan dos grandes conceptos de la naturaleza: materia y energía.
LA MATERIA: El Universo se encuentra variedad inagotable de formas, por ejemplo: Estrella, galaxia, planeta, volcán, océano, árbol, niño, manzana, león, flor, etc., todo lo que nos rodea es materia, presenta algunas propiedades comunes como son:
a) Ocupa un lugar en el espacio.
b) Es objetiva, es decir, existe independientemente de nuestro conocimiento.
c) Tiene masa y peso.
d) Se presenta en cuatro estados físicos.
e) Se distinguen entre sí por sus propiedades físicas y químicas.
f) Es una forma de energía y se pueden interconvertir.
g) Y la propiedad más importante de la materia es que tiene movimiento.
Comentaremos algunas de estas propiedades y las ampliaremos en el curso, se dice que la materia ocupa un lugar en el espacio, pero esto nos hace suponer en la existencia de un espacio disponible, listo para ser ocupado por la materia, el concepto correcto es que la presencia de la materia genera el espacio. En este sentido en el Universo no existe el vacío, porque esto supone la no existencia de la materia y por lo tanto la imposibilidad de que exista el espacio.
La materia tiene masa y peso, estas palabras aparentemente sinónimas tienen una diferencia de fondo, la masa es la cantidad de materia contenida en un cuerpo y es una constante, sin embargo, el peso se refiere a la fuerza gravitacional con que un planeta u otro cuerpo ejerce sobre la materia, en este sentido un material pesa diferente en la Tierra, la Luna o en Júpiter a pesar de contener la misma cantidad de masa, el peso esta así sujeto a la fuerza gravitacional y puede ser calculada por la primera Ley de Newton.
Se presenta en cuatro estados físicos, tres estables y uno transitorio; estos son el estado sólido, líquido y gaseoso; el otro es el plasma. La diferencia fundamental entre el estado sólido, líquido y gaseoso radica en el orden intermolecular y el grado de movimiento que tienen las moléculas de un compuesto, por ejemplo, en el agua sólida que conocemos como hielo, las moléculas de agua se encuentran ordenadas en posiciones precisas del espacio, unida por enlaces que impiden su movimiento y desplazamiento, esto le da su rigidez característica y le impide cambiar de forma, si un sólido lo calentamos obligamos a sus moléculas a vibrar, rotar y desplazarse, estos movimientos originan rupturas de algunos enlaces y desplazamientos que destruyen la configuración rígida, así se llega al estado líquido, donde aún se conservan algunos enlaces químicos, pero se pierde la rigidez, por esa razón el líquido adquiere la forma del recipiente que las contiene, finalmente si un líquido se calienta, éste adquiere la energía suficiente (movimiento de rotación y translación) para romper los enlaces que aún están presentes entre las moléculas, separándolas del conglomerado molecular y destruyendo así el estado líquido, el estado gaseoso al no tener enlaces intermoleculares, sus componentes tienen las dimensiones atómicas y por ello son invisibles, por otro lado ellas son libres de moverse en todas las direcciones por lo que ocupan cualquier volumen y su gran separación los hace compresibles.
Todos los materiales o sustancias que existen pueden distinguirse por sus propiedades físicas: punto de fusión, punto de ebullición, densidad, color, conductividad eléctrica, propiedades magnéticas, propiedades ópticas, etc, y por sus propiedades químicas: reactividad, poder oxidante, poder reductor, cualidades ácidas, propiedades básicas, efecto catalítico y en general la capacidad que tiene la materia para reordenarse internamente.
Hace dos siglos el químico francés Antonio Lorenzo Lavoisier hizo un descubrimiento de enorme importancia, ayudado de una balanza observó que: "EN TODO CAMBIO O PROCESO QUÍMICO LA MATERIA NO SE PUEDE CREAR NI DESTRUIR SOLO TRANSFORMAR" y a este descubrimiento se le conoce como Ley de la Conservación de la Materia.
Para hablar de las dos últimas cualidades enumeradas que presenta la materia es necesario tener el concepto de energía. La propiedad fundamental que tiene la materia es su MOVIMIENTO, cualquiera que sea su forma de presentación, el movimiento es una propiedad intrínseca de la materia, es decir, al existir la materia existe también su movimiento, que es indestructible como la misma materia. Este movimiento se manifiesta de diferentes maneras, las cuales pueden pasar de una a otra. La ENERGÍA es la medida del movimiento de la materia.
La energía se expresa cuantitativamente de un modo determinado por medio de parámetros, que son característicos para cada forma concreta de movimiento. Así, para el movimiento de translación de una masa libre la energía se expresa mediante la magnitud E =1/2mv2 (m es la masa y v la velocidad). La energía de una corriente eléctrica es eE (e es la cantidad de electricidad y E es la diferencia de potencial eléctrico).
Un descubrimiento fundamental realizado el siglo pasado se refiere a la transformación de la energía de una
forma a otra, pero conservando la constancia. De esta manera, la energía como medida del movimiento de la materia y que esta se pueda transformar de una en otra, refleja la unidad de todas las formas de movimiento, su transformación mutua y la imposibilidad de destruir el movimiento.
LEY DE CONSERVACIÓN Y TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA: "La energía no se crea ni se destruye, sino que en todos los procesos y fenómenos, la energía total de todas las partes del sistema material, que actúan en el proceso dado, no aumenta ni disminuye, quedando constante".
La energía puede dividirse en dos grandes sectores para su estudio: calor y trabajo.
CALOR.- Es la transmisión de energía a través de choques caóticos de moléculas de dos cuerpos en contacto. El calor es la medida de la energía transmitida de esta forma.
TRABAJO. - En este caso se incluyen distintas formas de paso del movimiento, que tienen como rasgo común la translación de masas que abarcan gran cantidad de moléculas, bajo la acción de ciertas fuerzas, tales son la elevación de un cuerpo en el campo gravitacional, el paso de cierta cantidad de electricidad desde un potencial
electrostático grande a otro menor, la expansión de un gas que se encuentra bajo presión, etc. El trabajo es la medida general del movimiento transmitido de esta manera.
El calor y el trabajo son las dos grandes formas en que se manifiesta la energía y caracterizan cualitativa y cuantitativamente dos formas distintas de transmisión del movimiento de una parte del mundo material a otra.

TRANSFORMACIÓN DE LA MATERIA EN ENERGÍA: E = mc2
En el año 1905 el físico alemán Albert Einstein publicó un artículo llamado: "¿Depende la inercia de un cuerpo de la energía contenida en él?".
Este artículo es un modelo perfecto de lo que es el procedimiento deductivo de la física, Einstein se imagino a un átomo desintegrándose radiactivamente y emitiendo rayos gamma. Aplicando el principio de que la energía y la cantidad de movimiento tenían que conservarse en la desintegración, fue capaz de razonar que el átomo que resultaba después de la desintegración debía tener menos masa que el átomo original, además la cantidad de masa que había perdido tenia que ser igual a la energía total, E, emitida en forma de rayos gamma, dividida entre la velocidad de la luz al cuadrado, es decir, m = E/c2. En sus propias palabras "Si un cuerpo libera energía E en forma de radiación su masa disminuye en E/c2". Fue en este trabajo donde nació su formula más famosa.

IMPLICACIONES DE E = mc2
El aspecto más significativo es la unificación natural de los dos grandes conceptos del universo: la masa y la energía, relacionados por una sencilla ecuación y que nos lleva a enunciar una Ley General de Conservación de la masa y la energía: "En el Universo existe una cantidad constante de masa y energía, pudiendo interconvertirse una en otra".
Otro aspecto es que la ecuación de Einstein reveló una nueva y hasta entonces insospechada fuente de energía. El mero hecho de que un objeto material tenga masa le proporciona una energía, mc2, que es muy sustancial porque la velocidad de la luz es muy grande. En general, esta energía no esta disponible desde un punto de vista práctico, pero se ha demostrado la interconversión de la masa en energía y viceversa en el fenómeno llamado aniquilación de pares, todas las partículas tienen antipartículas, pero el par electrón-positrón fue el primero en descubrirse, cuando el electrón encuentra a un positrón o viceversa, en reposo, pueden aniquilarse dando lugar a dos rayos de luz, uno de los cuales transporta una energía igual a mc2, donde m representa la masa del electrón o del positrón.
Otra implicación muy importante de esta ecuación es la "fusión nuclear", que algún día puede convertirse en nuestra fuente de energía más barata y no contaminante. Para empezar un protón y un neutrón pueden unirse para formar un núcleo pesado de hidrógeno, perdiendo cierta cantidad de energía, que se la lleva en forma de luz. Esta pérdida de energía significa que el núcleo de hidrógeno tiene menos masa que la suma del protón y el neutrón. No hay en la física clásica ningún mecanismo que pueda explicar esta pérdida de masa, la ecuación de Einstein proporciona una explicación sencilla y natural.
Otro problema que fue resuelto por la fusión nuclear y la energía generada en el proceso fue como las estrellas, incluyendo el Sol, continuaban "quemándose"; esto es, emiten cantidades tan grandes de energía durante tanto tiempo y con tanta intensidad. La primera y más ingenua explicación que se dio fue que el Sol es un montón de carbón encendido. Esta idea feliz se podía rebatir inmediatamente si uno calcula durante cuánto tiempo podría quemarse tal montón de carbón para producir la misma cantidad de energía que la observada para el Sol. La respuesta es de cerca de 1,500 años, mientras que la edad del sistema solar es de varios miles de millones de años. Después del descubrimiento de la radiactividad se propuso la idea de que quizá la energía del Sol era debida a la desintegración radiactiva. Si el Sol estuviese hecho de uranio puro radiaría energía similar a la observada durante varios miles de millones de años. Pero el Sol no esta hecho de uranio sino de hidrógeno y helio, según lo revelan los espectros de emisión atómica. Esto condujo a un callejón sin salida hasta los años veinte, cuando George Gamow, basándose en las ideas de la mecánica cuántica, sugirió que el proceso de fusión podría realmente tener lugar a las temperaturas existentes en el interior de las estrellas. En 1939 y de forma independiente, H. A. Bethe y C. F. Von Weizsacker dieron los detalles de la química nuclear, completando de esta forma la explicación de la generación de la energía solar. En esta imagen no hay problemas con la duración de la vida del Sol, puesto que una pérdida de masa pequeña origina una gran cantidad de energía.