INTRODUCCIÓN
A LA
QUÍMICA Y EL AMBIENTE
Salvador Mosqueira Pérez Salazar
PRIMERA EDICIÓN EBOOK México, 2014 GRUPO EDITORIAL PATRIA
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Revisión técnica: Alex técnica: Alex Polo Velázquez Diseño de interiores y portada: Juan Bernardo Rosado Solís Supervisor de preprensa: preprensa: Miguel Miguel Ángel Morales Verdugo Diagramación: Jorge Diagramación: Jorge Martinez Jiménes / Gustavo Vargas Martinez Fotografías: Thinkstock
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INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA Y EL AMBIENTE
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Primera edición ebook: 2014
PRÓLOGO PARA LA TERCERA EDICIÓN Durante la primera década de este siglo ���, el mundo ha sido testigo de grandes cambios en los patrones del clima global, así como de un desarrollo inusitado, pero aún insu�ciente, de las energías sustentables que sustituirán a la energía obtenida de combustibles fósiles, generadores de la mayor parte de los gases invernadero causantes de esas alteraciones climáticas. Sin embargo, los eventos ocurridos recientemente en Copenhague y Cancún con relación a las negociaciones entre los países para abatir la emisión de gases invernadero, muestran la necesidad de lograr resultados verdaderamente tangibles en los acuerdos internacionales sobre el cambio climático. Aunque los ofrecimientos de reducción de esas emisiones de la mayoría de los países pueden contribuir para evitar que el aumento de temperatura sea mayor de 2 grados Celsius en el siglo ���, de acuerdo a los cientí�cos no ha sido su�ciente y todavía se requieren disminuir las emisiones en 5 gigatoneladas (5 3 109 toneladas) para lograr ese objetivo. Es importante mencionar que la necesidad de reducir también las emisiones de negro de humo y de los precursores de ozono en la troposfera, ha recibido, comparativamente, mucha menor atención, pese a que los investigadores han encontrado que al reducir esos contaminantes lograremos, en el largo plazo, mitigar el cambio climático, y en el corto plazo, mejorar la salud humana y la seguridad alimentaria. Por otro lado, durante este siglo se prevé que se agotará la disponibilidad de petróleo, lo que ha obligado a que se establezca un diálogo global para hacer que la economía mundial sea más “verde” a través de tecnologías no contaminantes y sustentables para la generación de energía. Mientras que la mayoría de los países han renovado sus compromisos para trabajar hacia la sustentabilidad ambiental y han acordado estrategias globales para lograrlo, a su vez el sector privado está respondiendo con inversiones y tecnología, en las nuevas oportunidades de negocio en el desarrollo de las energías renovables, que durante la década 2000-2010 tuvieron un crecimiento exponencial. La rápida expansión de las tecnologías móviles (fotovoltaica, molinos de viento caseros, etcétera), crea la necesidad de que los ciudadanos participen en la toma de decisiones de carácter ambiental, lo que los obliga a adquirir los conocimientos cientí�cos que les permitan abordar este tema y aún más, participar en la recolección de datos o información para un monitoreo de la biodiversidad ambiental . Hoy día la in�uencia humana se extiende hasta en las partes más remotas de los océanos. El océano ha llegado ser un gran basurero para muchos de los desperdicios que generamos. Ahí se encuentran por ejemplo, una gran cantidad de plásticos y aunque su papel como contaminante del océano todavía no ha sido de�nido con exactitud, es obvio colegir que es un riesgo potencial para los ecosistemas y salud de los humanos. Para reducir la cantidad de contaminantes que entran en el océano se deben mejorar los aspectos del manejo de desperdicios y endurecer las políticas de control existentes al respecto . No todo son malas noticias ya que si revisamos las tendencias regionales y globales observaremos que hay algunas áreas, como el uso de energía renovable y la disminución del agotamiento de la capa de ozono, en los que hubo notorio progreso (ver ilustraciones de las Unidades 1 y 2). El propósito de esta segunda edición es transmitir a los profesores y estudiantes de bachillerato, los avances ambientales y energéticos logrados durante la década del 2000 al 2010, así como, en contrapartida, los retrasos que se tienen en temas tan importantes como el cambio climático y las emisiones de gases invernadero, en especial el dióxido de carbono proveniente de los combustibles fósiles.
Grupo Editorial Patria
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Introducción a la química y el ambiente Estamos seguros que esta obra forma parte de un conjunto de información global que encontrará un amplio interés de parte de los estudiantes de bachillerato, quienes serán en un futuro muy cercano, los ciudadanos que decidan y apoyen los programas ambientales y energéticos de nuestro país, y cumplamos así los compromisos de sustentabilidad en el ambiente y la energía , que México ha �rmado y debe cumplir, en el concierto de las naciones.
El Autor
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CONTENIDO
PRÓLOGO PARA LA TERCERA EDICIÓN. . . . . . . . . . LA QUÍMICA EN NUESTRO ENTORNO. . . . . . . . . . .
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UNIDAD 1 La energía, la materia y los cambios
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Energía, motor de la humanidad . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Noción de energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Energía potencial y cinética . . . . . . . . . . . . 5 Transferencia y transformación de la energía 5 Calor, trabajo y temperatura . . . . . . . . . . . . 8 La materia y los cambios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Clasificación de la materia Sustancias puras: elementos y compuestos Mezclas: homogéneas y heterogéneas . . . . 27 Ley de la conservación de la materia . . . . . 48 El Sol, horno nuclear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Radiactividad y desintegración nuclear . . . 64 Rayos alfa, beta y gamma . . . . . . . . . . . . . . 66 Espectro electromagnético. . . . . . . . . . . . . 76 Planck, la energía y los cuantos . . . . . . . . . 79 Espectro del átomo de hidrógeno y teoría atómica de Bohr. . . . . . . . . . . . . . . 81 Fisión y fusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Ley de la interconversión de la masa y la energía . . . . . . . . . . . . . . . . 88 El hombre y su demanda de energía . . . . . . . . . . . . . 95 Generación de energía eléctrica. Análisis de beneficios y riesgos del consumo de energía . . . . . . . . . . . . . . . 97 Energías limpias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
UNIDAD 2 Aire, intangible pero vital ¿Qué es el aire?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mezcla homogénea indispensable para la vida. Composición porcentual de N2, O2, CO2, Ar y H2O . . . . . . . . . . . . . . El aire es ligero, sin embargo, pesa. Propiedades físicas de los gases . . . . . . . . . Leyes de los gases: Boyle, Charles y Gay-Lussac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Teoría cinética-molecular de los gases ideales . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mol, Ley de Avogadro, condiciones normales y volumen molar . . . . . . . . . . . . . Reactividad de los componentes del aire . . . . . . . . . . Algunas reacciones del N2, O2 y CO2 . . . . . Reacción del oxígeno con metales y no metales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabla periódica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Símbolos de lewis y enlaces covalentes . . . Calidad del aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Principales contaminantes y fuentes de contaminación . . . . . . . . . . . . Ozono y alotropía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Las radiaciones del Sol y el esmog fotoquímico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . El ozono y el esmog fotoquímico . . . . . . . . Inversión térmica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Medición de la calidad del aire. . . . . . . . . . Precipitación ácida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Repercusión del CO2 en el ambiente . . . . . La revolución energética requerida para combatir el cambio climático (Copenhague) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Adelgazamiento de la ozonósfera . . . . . . . Responsabilidad de todos y cada uno de nosotros en la calidad del aire . . . . . . . .
UNIDAD 3 Agua: ¿de dónde, para qué y de quién? 126 128
Tanta agua y podemos morir de sed . . . . . . . . . . . . . La distribución del agua en nuestro planeta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grupo Editorial Patria
131 134 137 142 145 154 155 157 161 168 183 186 196 197 199 205 206 207 212
217 219 226
234 236 236 v
Introducción a la química y el ambiente Calidad del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fuentes de contaminación La demanda bioquímica de oxígeno (DBO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 Importancia del agua para la humanidad . . . . . . . . . . Agua para la agricultura, la industria y la comunidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Purificación del agua. . . . . . . . . . . . . . . . . . El porqué de las maravillas del agua. . . . . . . . . . . . . . Estructura y propiedades de los líquidos. Modelo cinético molecular de los líquidos . Propiedades del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . Composición del agua. Electrólisis y síntesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . Influencia del agua en la regulación del clima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Soluciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Electrólitos y no electrólitos . . . . . . . . . . . . Ácidos y bases; pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Neutralización y formación de sales . . . . . . ¿De quién es el agua?. . . . . . . . . . . . . . . . .
UNIDAD 4 Corteza terrestre, fuente de materiales útiles para el hombre
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252 252 254 262 262 264 270 273 274 285 287 300 303
308
Minerales, ¿la clave de la civilización? . . . . . . . . . . . . 310 Formación de iones coloridos. . . . . . . . . . . 328 Propiedades magnéticas. . . . . . . . . . . . . . . 329 Estado sólido cristalino . . . . . . . . . . . . . . . . 343 Enlace iónico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 Cálculos estequiométricos . . . . . . . . . . . . . 353 Relaciones mol-mol y masa-masa . . . . . . . . 356 Petróleo, un tesoro de materiales y energía. . . . . . . . 363 Importancia del petróleo para México . . . . 365 Hidrocarburos: alcanos, alquenos y alquinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 Energía de los combustibles fósiles. Combustiones y calor de combustión . . . . . 373 Refinación del petróleo. . . . . . . . . . . . . . . . 375 El petróleo: fuente de materias primas . . . 376 Los alquenos y su importancia en el mundo de los plásticos. Etileno y polietileno . . . . . 378 La nueva imagen de los materiales . . . . . . . . . . . . . . . 382 La ciencia de los materiales. Los materiales del futuro. . . . . . . . . . . . . . . 382 vi
Materiales cerámicos, cristales líquidos, polímeros, plásticos y materiales superconductores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Usos de las fibras sintéticas . . . . . . . . . . . . Materiales superconductores . . . . . . . . . . . Trenes con levitación magnética . . . . . . . . . Suelo, soporte de la alimentación. . . . . . . . . . . . . . . . Perfil del terreno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C, H, O, N, P y S en la naturaleza . . . . . . . . El pH y su influencia en los cultivos . . . . . . La conservación o destrucción de nuestro planeta. . . Consumismo-basura-impacto ambiental . . Reducción, reutilización y reciclaje de basura . . . . . . . . . . . . . . . . . . Responsabilidad en la conservación del planeta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
UNIDAD 5 Alimentos, combustible para la vida
383 405 409 411 412 414 416 420 423 428 436 444
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Elementos esenciales para la vida. . . . . . . . . . . . . . . . 452 Tragedia de la riqueza y de la pobreza: exceso y carencia de alimentos. . . . . . . . . . 454 Minerales. Macro y microminerales . . . . . . 459 Vitaminas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466 Fuentes de energía y material estructural. . . . . . . . . . 470 Energéticos de la vida: Carbohidratos, estructura y grupos funcionales . . . . . . . . . 474 Almacén de energía: Lípidos, estructura y grupos funcionales . . . . . . . . . 480 Proteínas, su estructura y grupos funcionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483 Requerimientos nutricionales . . . . . . . . . . . 488 Conservación de los alimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494 Aditivos y conservadores . . . . . . . . . . . . . . 494 Saborizantes de alimentos . . . . . . . . . . . . . 496 Congelación, calor, desecación, salado, ahumado, edulcorado y al alto vacío . . . . . . . . . . . . . . 498 Protección de los alimentos . . . . . . . . . . . . 508 GLOSARIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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ÍNDICE ANALÍTICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
527
BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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La química en nuestro entorno La Química en nuestro entorno El mundo de la Química Por los medios de comunicación, principalmente revistas, periódicos o televisión, y por experiencia, mucha gente ha “aprendido” que los productos químicos son contaminantes y tóxicos, y por tanto, perjudiciales. Esta creencia no debe sorprendernos, ya que las noticias por lo general sólo hablan de “derrames o fugas de productos químicos tóxicos”, sin entrar en mayores detalles, o “advierten” peligros por los productos químicos contaminantes en el ambiente (en el aire, agua y suelo) sin especi�car su origen ni su verdadero nivel de toxicidad. De hecho, algunos productos químicos son tóxicos y no sólo eso, sino peligrosamente tóxicos, como lo fueron los gases venenosos utilizados en la Primera Guerra Mundial (y en otras guerras recientes), el ántrax (que es una bacteria con propiedades bioquímicas letales) enviado por correo por terroristas lunáticos a partir de 2001 —sin �nes bélicos, pero igualmente peligrosos—, o los productos químicos que se desprenden de algunos microorganismos, que crecen en alimentos enlatados no pasteurizados o sin recubrimiento interno y que causan un severo envenenamientvo en esos alimentos. No obstante, el conocimiento de la Química no sólo es saber qué sustancias químicas pudieran ser dañinas. Ni tampoco estar al día de las maravillas que la Química en nuestro mundo moderno nos ha proporcionado, tales como medicinas que curan las que otrora fueron enfermedades incurables como la �brosis cística, la malaria y la ebola por sólo citar algunas; telas sintéticas (como las hechas a base de poliéster, poliacrilonitrilo y poliamidas) con aspecto, durabilidad y costo mejores a las que utilizaron nuestros abuelos; plásticos súper resistentes (como materiales compuestos de �bra de vidrio, resinas y metales), que se utilizan en las carrocerías de los automóviles para disminuir su peso y ahorrar combustible, etcétera. En vez de eso, te sugerimos que pienses en la Química con la actitud de lo que te puede proporcionar, pero no en una forma egoísta, sino como un ciudadano que vive en una sociedad que se desarrolla en este mundo fascinante de la Química. Las primeras fotografías de la Tierra tomadas desde la Luna nos proporcionaron un formidable recordatorio de que la Tierra y sus materiales no son in�nitos (�gura A.1). El universo de la Química realmente sólo tiene un interés: los materiales que nuestro planeta nos proporciona y el uso racional que de ellos hagamos. Desde un punto de vista globalizado, algo (o un mucho, según lo desees) del conocimiento de la Química te será muy útil en el manejo de los grandes temas sociales que se presentarán en el siglo ���. La población de la Tierra sigue aumentando a tasas mayores que las previstas. Se espera que los aproximadamente 6 000 millones de habitantes que había en el año 2000 se incrementen al doble en el 2050. ¿Cómo se podrá alimentar, vestir y dar alojamiento a esa población? ¿Cómo podemos racionalizar y optimizar el uso de los materiales que nuestro planeta nos proporciona? ¿Cómo revertir el daño hecho por no conocer las consecuencias de nuestras actividades? En �n, ¿cómo podemos evitar hacerle más daño a nuestro planeta? Asimismo, el conocimiento de la Química le da una nueva dimensión a nuestra vida diaria. Si un anuncio proclama que un producto “no contiene productos químicos”, ¿qué te da a entender el anuncio del producto y sus fabricantes? ¿Es válido pagar el doble, o más, por un producto agrícola “orgánico” (como el café “orgánico”)?, aquél
Figura A.1
Esta fotografía (tomada desde la Luna por los tripulantes de Apolo 11 el 20 de julio de 1969) muestra a la Tierra parcialmente iluminada elevándose sobre el horizonte lunar. La Tierra está aproximadamente a 400 000 km de distancia. Grupo Editorial Patria
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Introducción a la química y el ambiente que no utilizó ningún ingrediente químico en sus etapas de desarrollo y venta, es decir, que es “totalmente natural” (algunas veces lo es, la mayoría de las veces no). ¿Sabías que si almacenas productos de limpieza que contengan amoniaco en solución acuosa junto con un blanqueador de hipoclorito de sodio, tienden a reaccionar desprendiendo un gas muy tóxico?
La Química dentro del marco de las ciencias naturales Consideremos primero un tema muy interesante, que fue el encabezado de muchos periódicos nacionales y extranjeros en 1994. El inicio de las consideraciones legales para utilizar el ácido desoxirribonucleico (ADN) como prueba de culpabilidad en un juicio. El ADN es un compuesto químico que se encuentra en las células de nuestros cuerpos, y su análisis proporciona un equivalente a la huella digital (es especí�co y distintivo para cada ser humano). Comparando el análisis del ADN de una muestra de sangre o de otro material biológico dejado en la escena del crimen con una muestra biológica del sospechoso, ésta se puede utilizar como una prueba de�nitiva de inocencia o culpabilidad. La Química a menudo ha sido de�nida como el estudio de la materia y los cambios que ésta puede sufrir. Si analizas esta de�nición, aunque sea de una manera somera, te convencerás que el conocimiento de la Química es fundamental para entender todo lo que sucede en la naturaleza. Con este conocimiento de los materiales de la naturaleza, los químicos pueden modi�car la materia y sintetizar nuevas clases de materia. Históricamente, las ciencias naturales han estado relacionadas con la observación de la naturaleza, es decir, del mundo físico y biológico que nos rodea. Una clasi�cación tradicional de las ciencias naturales se representa en la �gura A.3, en la que se ha dado énfasis a la relación de la Química con otras ciencias. Sin embargo, con los Figura A.2
sangre mancha biológica
extracción de ADN
sangre mancha biológica
sangre del padre hijo madre
corte enzimático electrofóresis transferencia hibridación luminiscencia
a)
Secuencia obtenida para una prueba comparativa de ADN
Secuencia obtenida para una prueba de perfil de ADN
b)
c )
Existe una prueba altamente especí�ca que permite obtener alelos de solamente un lugar de la cadena del ADN, la cual nos permite identi�car la culpabilidad de un asesino, en la �gura a) existe una igualdad de distribución entre la sangre del sospechoso y la mancha biológica encontrada en el lugar de un crimen. En la �gura b) no existe igualdad entre la sangre y la mancha o muestra biológica. En la �gura c ) se presenta la prueba de paternidad mediante el ADN. El hijo tiene un alelo del padre y otro de la madre, por lo tanto, es hijo de ambos. viii
La química en nuestro entorno
3 . A a r u g i F
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. s e l a r u t a n s a i c n e i c s a l e d l a n o i c i d a r t n ó i c a c � i s a l C
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Introducción a la química y el ambiente avanzados medios tecnológicos de los que ahora se dispone, las separaciones entre ellas se vuelven cada día más insigni�cantes. El carácter dinámico de la ciencia se ilustra con el surgimiento de nuevas disciplinas, y ahora existen profesionistas que son identi�cados como biofísicos, químicos bioinorgánicos, geoquímicos, �sicoquímicos y hasta paleontologistas moleculares (que utilizan métodos químicos modernos para analizar artefactos o restos antiguos).
Figura A.4
La clonación o copiado de los seis becerros de la fotografía fue transgénico, es decir, fueron animales genéticamente modi�cados para producir en su leche proteínas normalmente de origen farmacéutico.
Figura A.5
El estudio del ADN es hoy día una de las áreas frontales de la ciencia. Es raro que pase algún tiempo sin que aparezca en los medios de comunicación el reporte de algún nuevo descubrimiento, ya sea el de la causa de una enfermedad hereditaria, la introducción de un nuevo producto, o hasta de seres vivos derivados de los estudios de ingeniería genética (�gura A.4) (por ejemplo la clonación).
En 1953, los investigadores ingleses James Watson y Francis Crick propusieron la estructura del ADN. Poco tiempo después se identi�có al ADN como el portador de la información genética que se transmitía de una generación a la siguiente (�gura A.5), si bien desde 1862 ya se conocían los patrones hereditarios (modelo de Mendel). Después de ese intenso periodo de estudio de la naturaleza química del ADN, el enfoque actual se ha extendido a investigar cuáles son las funciones del ADN en las células vivientes y cómo pueden ser manipuladas para obtener los resultados deseados, tales como la curación de enfermedades heredadas, o la manufactura de medicinas y drogas que salven nuestra vida mediante bacterias controladas por ingeniería genética. Asimismo, la prueba del ADN, o sea la determinación de la composición exacta del ADN de un individuo, es una herramienta analítica (�gura A.2) que, junto con otras que proporciona la química analítica, son utilizadas por los químicos forenses en la investigación de algún delito.
Ciencia y tecnología. El método científico Veamos ahora una historia acerca de algo que directamente nos afectó, y nos afecta a todos —tanto como lo hace una prueba de ADN para localizar células enfermas—, la necesidad de convertir el sistema de aire acondicionado de los automóviles, al uso de un nuevo refrigerante. La refrigeración —una útil aplicación tecnológica de la termodinámica— ha sido utilizada desde �nes del siglo ���. Este proceso requiere de un �uido que absorba calor conforme se evapora, y desprenda calor cuando se condensa, y que pueda reciclarse continuamente, sufriendo evaporaciones y condensaciones sin que se descomponga. A principios del siglo ��, los �uidos utilizados eran en su mayoría muy in�amables o tóxicos. En una ocasión, el director de investigación y desarrollo de una de las dos más grandes empresas fabricantes de automóviles de ese tiempo, pidió a sus colaboradores un nuevo refrigerante que no tuviera esos inconvenientes. La primera tarea a la que se dedicó el grupo fue recolectar toda la información existente, tales como tablas con datos obtenidos en los laboratorios químicos de investigación, y combinar esta información con una investigación bibliográ�ca de las variaciones sistemáticas de las propiedades de los elementos químicos. El resultado de este análisis, expresado con las mismas palabras del coordinador de esta investigación, que �nalmente resultara increíblemente exitosa, fue: “Aparentemente, nadie había considerado antes la posibilidad de que el �úor* pudiera no ser tóxico en alguno de sus compuestos. Esta posibilidad había sido ciertamente descartada por los ingenieros en refrigeración. Si el problema tuviera que ser resuelto con un solo compuesto, y no una mezcla, entonces ese compuesto contendría �úor sin duda alguna...”
El ADN es el portador de la información genética que se transmite de una generación a la siguiente. x
* El elemento químico flúor (F) es el gas más reactivo y tóxico que se conocía (y se conoce), de ahí la aventurada predicción de este ingenioso investigador.
La química en nuestro entorno Iniciaron entonces sus experimentos en la búsqueda de un nuevo compuesto químico que contuviera �úor. Como el �úor estaba escaso, compraron lo que había disponible: cinco pequeñas botellas. Una de las botellas fue utilizada para hacer la primera muestra del nuevo producto químico que contenía �úor. Sigamos con el relato de nuestro investigador: “Un conejillo de indias fue colocado bajo una campana que contenía el nuevo producto sintetizado (que en su composición predominaba el �úor) y, ante la sorpresa del médico veterinario que lo había traído, no emitió ningún sonido ni tampoco se murió. De hecho, no mostró ninguna irritación. Nuestras predicciones se habían cumplido totalmente.”
Sin embargo, una segunda muestra hecha con el material inicial proveniente de una botella diferente sí mató al conejillo de indias. Aquí había un problema que tenía que ser resuelto. Después de una cuidadosa investigación, se encontró que solamente la primera botella contenía el material sintetizado puro. Había sido un contaminante el que había matado al conejillo de indias y no el nuevo producto preparado por nuestro investigador, quien comentó lo siguiente con relación a este hecho: “De las cinco botellas... solamente una contenía el material correcto. Nosotros habíamos escogido por azar la que lo contenía para nuestro primer experimento. Si hubiéramos escogido cualquiera de las otras cuatro botellas, el animal hubiera muerto como lo hubiera esperado quienquiera en todo el mundo, a excepción de nosotros. Creo que habríamos renunciado a lo que nos hubiera parecido entonces como una costosa pérdida de tiempo.”
La moraleja de este pequeño relato es tan simple como ésta: Uno debe de contar con suerte, así como de un buen equipo humano, para tener éxito en el estudio de la química aplicada. El producto de estos experimentos dio lugar a la proliferación de refrigeradores en todos los hogares y supermercados. La descomposición de los alimentos prácticamente fue eliminada, y después de la Segunda Guerra Mundial, la industria procesadora de alimentos se expandió a la producción de alimentos congelados (�gura A.6). Así, ésta es una historia de éxito —el desarrollo de compuestos cloro�uorocarbonados, a menudo conocidos como CFC—, como refrigerantes mucho menos peligrosos. A lo largo de las décadas de 1950 y 1960, su uso se expandió a u na gran cantidad de productos de consumo (que no tenían necesariamente que ver con la refrigeración) que se vendían en el mercado. Por ejemplo, se encontró que los CFC tenían propiedades que los hacían ideales para su uso como propulsores de los líquidos contenidos en los botes de aerosol, y para hacer pequeños ori�cios en materiales tales como la espuma de poliuretano, utilizada en almohadas y relleno de muebles. Figura A.6 Sin embargo, el problema creado por los aparentemente exitosos CFC no salió a la super�cie sino hasta la década de 1970, porque nadie estaba consciente del destino �nal de estos compuestos tan estables cuando se desprendían al medio ambiente. Fue durante la década de 1980, que ya había llegado a ser completamente claro que los CFC llegaban sin ninguna transición a la estratosfera (una explicación más detallada de todo este proceso será dada posteriormente en el capítulo 3), donde interaccionaban con el ozono y lo destruían (�gura A.7). El resultado de esta reacción disminuye la cantidad de ozono de la estratosfera, aumentando el daño potencial por un incremento de radiación solar (en especial la ultravioleta) que llega a la super�cie de la Tierra.
El desarrollo de todo tipo de expendedores de alimentos congelados fue extraordinario a partir de mediados del siglo XX.
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Introducción a la química y el ambiente Figura A.7
La luz ultravioleta al incidir sobre una molécula de clorofluorocarbono (CFC), como el CFCl3, separa un átomo de cloro dejando el CFCl2
Sol Radiación ultravioleta Una vez libre, el átomo de cloro puede atacar otra molécula de ozono y empezar el ciclo de nuevo
El átomo de cloro ataca una molécula de ozono (O3) y le quita un átomo de oxígeno, dejando una molécula de oxígeno (O2)
Un átomo de oxígeno libre separa el átomo de oxígeno de la molécula de monóxido de cloro para formar O2
Resumen de reacciones:
CCl3F 1 UV → Cl 1 CCl2F Cl 1 O3 → ClO 1 O2 ClO 1 O → Cl 1 O2
Repetidas muchas veces
El átomo de cloro y el átomo de oxígeno se unen para formar una molécula de monóxido de cloro (ClO)
m
Resumen simplificado de cómo los cloro�uorocarbonos (CFC) y otros compuestos que contienen cloro y �úor destruyen el ozono de la estratosfera. Hay que observar que los átomos de cloro y �úor están continuamente regenerándose conforme reaccionan con el ozono, actuando entonces como catalizadores, es decir, como un producto químico que acelera la velocidad de las reacciones sin que ellos mismos sean partícipes en la reacción. Los átomos de bromo desprendidos de compuestos que contienen bromo también destruyen el ozono por medio de un mecanismo similar.
En 1987, las naciones que producían CFC crearon un plan de acción para que la producción industrial de este compuesto que todavía era requerida cesara totalmente para 1995. La razón de que todavía fuera necesaria su producción era que el refrigerante CFC conocido como R-12, que se utilizaba en casi todos los autos que se habían hecho antes de 1992, y el nuevo conocido como R-134a, no eran compatibles. Un auto diseñado para usar R-12, no podía usar R-134a, a menos que el sistema se modi�cara, lo cual era costoso. Entonces, la decisión económica era la predominante para cualquiera que tuviera un automóvil de esos años, y que su auto tuviera una fuga del gas refrigerante en su sistema de aire acondicionado. Todo lo anteriormente expresado nos sirve para identi�car las distinciones entre la ciencia básica o la investigación básica, y la ciencia aplicada y la tecnología. Ciencia básica o investigación básica , es la búsqueda del conocimiento del universo, sin tener por lo general en mente a corto plazo objetivos prácticos para la aplicación de los conocimientos adquiridos. Los bioquímicos que se esforzaron durante años para entender exactamente cómo funciona el ADN dentro de las células estuvieron haciendo fundamentalmente ciencia básica. La ciencia aplicada tiene un objetivo bien de�nido y a corto plazo: resolver un problema especí�co. La búsqueda de un mejor refrigerante por Thomas Midgley y su equipo de colaboradores en General Motors, es un ejemplo excelente de ciencia aplicada. Ellos tenían perfectamente claro su objetivo y los elementos para lograrlo. Para llegar a ello, como se hace en ciencia básica o en ciencia aplicada, recurrieron a los datos y observaciones registradas de estudios efectuados anteriormente para formular una hipótesis, y entonces llevaron a cabo experimentos para probarla. Los
xii
La química en nuestro entorno pasos anteriores son exactamente los que se llevan a cabo en el método cientí�co, que veremos al �nalizar este tema. La tecnología también es una aplicación del conocimiento cientí�co, y aunque es un poco más complicado de�nirla, en esencia es la suma de las formas en que se aplica la ciencia en el contexto de nuestra sociedad, nuestro sistema económico y nuestra industria. Los primeros refrigeradores y aires acondicionados diseñados para usar los CFC fueron producto de una nueva tecnología. El número de aplicaciones que se ha expandido rápidamente para manejar el ADN y hacer nuevas medicinas u otros productos comerciales, están contenidos en una rama de la tecnología que se conoce como biotecnología. Es muy importante anotar que, no importando el tipo de descubrimiento cientí�co, siempre (o casi siempre) existe un lapso de tiempo más o menos largo entre el descubrimiento y su aplicación tecnológica. Los periodos de incubación de un cierto número de aplicaciones de varios tipos de descubrimientos cientí�cos se muestran en la tabla A.1.
Tabla A.1. Tiempo necesario para desarrollar la tecnología de algunas ideas fructíferas. Innovación
Concepción
Realización
Años de “incubación”
Antibióticos
1910
1940
30
Celofán
1900
1912
12
Cisplatin (droga contra el cáncer)
1964
1972
8
Marcapasos del corazón
1928
1960
32
Maíz híbrido
1908
1933
25
Cámara instantánea
1945
1947
2
Café instantáneo
1934
1956
22
Energía nuclear
1919
1945
26
Nylon
1927
1939
12
Fotografía
1782
1838
56
Radar
1907
1939
32
Síntesis de la droga para la recombinación del ADN
1972
1982
10
Relojes automáticos
1923
1939
16
Reproductores de video
1950
1956
6
Fotocopiadoras
1935
1950
15
Dic. de 1895
Ene. de 1896
29 días
Rayos X en medicina
Como la historia de los CFC nos muestra, la ciencia y la tecnología, y también las condiciones sociales, constantemente cambian. Cuando los CFC fueron introducidos como refrigerantes en 1930, fueron un gran avance para la economía y reemplazaron materiales peligrosos. Además, el número de naciones tecnológicamente avanzadas (al menos para producir CFC) y la población mundial eran pequeñas (comparativamente a la del año 2000). La gente pensaba que los procesos de la naturaleza podrían mantener un medio ambiente saludable y, hasta cierto punto, eso era cierto. Aún más, algunos de los complicados instrumentos que han revelado el agotamiento de la capa de ozono no estaban disponibles en esa época. Grupo Editorial Patria
xiii
Introducción a la química y el ambiente Como mencionábamos antes, la producción de los CFC es un magní�co ejemplo de aplicación del método cientí�co. Como en la mayoría de las actividades del esfuerzo humano, la ciencia ha desarrollado también métodos formales, comprobados a través del tiempo, para resolver problemas. Fue mediante la aplicación rigurosa del método cientí�co que fueron descubiertos los CFC. El método cientí�co incorpora observaciones, hipótesis, experimentos, teorías y leyes. Los cientí�cos hacen observaciones de los hechos que acompañan a los fenómenos naturales. Posteriormente, tratan de explicar sus observaciones desarrollando hipótesis. Las hipótesis son modelos descriptivos de las observaciones. Una hipótesis es útil en tanto permita explicar lo que los cientí�cos observan en muchas situaciones. Con objeto de aprender más sobre la hipótesis, los cientí�cos por lo general realizan experimentos, en los cuales una o más de las variables o condiciones del experimento se mantienen controladas o constantes. Un principio importante de un experimento es que pueda ser repetido cuantas veces se requiera. Las observaciones que se derivan del experimento son registradas mediante su medición, obteniéndose un conjunto de datos. Cuando las observaciones o los datos experimentales no encajan dentro de la hipótesis, ésta es rechazada o modi�cada, y una hipótesis nueva o depurada se somete nuevamente a experimentación. La interacción entre la hipótesis y los experimentos juega un papel relevante, ya que la hipótesis guía en un principio los experimentos, pero dependiendo de los resultados obtenidos, los investigadores pueden llevar a la modi�cación o establecimiento de una nueva hipótesis. Si el conejillo de indias de la experiencia del Sr. Midgley hubiera pasado a la posteridad como una hipótesis fallida, seguramente este señor hubiera sacado fuerzas de �aqueza y establecido una nueva hipótesis que de cualquier forma hubiera dado como resultado otra estructura de compuestos cloro�uorocarbonados (y con ello la disminución de la capa de ozono). Una vez que una hipótesis pasa la prueba de veri�cación por una experimentación intensiva, puede ser elevada a la categoría de teoría. Una teoría es un modelo probado profusamente, que explica por qué con los experimentos se obtienen ciertos resultados. En ciertas ocasiones una teoría no puede ser probada (al menos con los recursos actuales). No obstante, las teorías son muy útiles, porque nos ayudan a visualizar mentalmente los objetos o procesos que no pueden ser vistos. Un ejemplo relevante de teoría es la teoría cinética molecular, que nos permite explicar multitud de cambios físicos y químicos. Aún más, una teoría nos permite predecir el comportamiento de los sistemas naturales bajo circunstancias diferentes a las de las observaciones originales. Otro producto de la investigación cientí�ca es la ley cientí�ca. Una ley cientí�ca es un enunciado preciso, que resume los resultados de una amplia variedad de observaciones y experimentos. Una ley cientí�ca es diferente a una teoría, ya que esta última no sólo describe el fenómeno natural, sino que, además, intenta explicarlo. Las leyes cientí�cas a menudo se expresan con simples relaciones matemáticas. Su razón de ser corresponde al comportamiento de la naturaleza, por lo que generalmente no aparecen como obvias de una manera inmediata. Por ejemplo, el enunciado de la Ley de Boyle: “El volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión ejercida sobre él”, cumple con este criterio (y es derivada de la teoría cinética de los gases). La �gura A.8 muestra el esquema de la interrelación de actividades en el método cientí�co. Por último, es importante mencionar que, aunque los cientí�cos utilizan los mismos hechos cientí�cos, a menudo están en desacuerdo en la forma en que el conocimiento cientí�co debería ser usado. Por ejemplo, un químico puede crear un nuevo producto químico para su uso como pesticida, mientras que otro apunta los peligros (sobre todo ecológicos o ambientales) del mismo producto. xiv
La química en nuestro entorno Figura A.8
Teoría
Observaciones
Hipótesis
Experimentos
Observaciones
Experimentos
Ley
Este esquema del método científico muestra cómo las observaciones experimentales nos llevan al desarrollo de hipótesis y teorías. Una ley cientí�ca resume los resultados de muchos experimentos, pero no explica el porqué del comportamiento observado; ésa es la función de la hipótesis y la teoría.
Preguntas Contesta las siguientes preguntas y comenten en equipos las respuestas.
1. ¿Cuál es tu punto de vista con relación a la importancia del mundo de la Química? Enumera cuatro actividades muy importantes a las que los químicos (cientí�cos y tecnólogos) deberán atender prioritariamente en el siglo ���. 2. Realiza un mapa conceptual especi�cando las áreas de estudio que componen las ciencias naturales. 3. ¿Cuáles son los enfoques actuales en el estudio del ADN? Explica brevemente en qué consiste la ingeniería genética y la clonación. 4. ¿Cuáles son tus conclusiones sobre la invención de los compuestos cloro�uorocarbonados (CFC)? ¿Cuáles fueron las razones principales por las que no se consideraron sus posibles efectos dañinos? ¿Cuándo y quiénes fueron los primeros cientí�cos que apuntaron sus consecuencias? ¿Hasta cuándo durarán sus efectos nocivos? (Puedes investigar en Internet). 5. ¿Cuáles son las características de la ciencia básica y de la ciencia aplicada? ¿Cómo se puede de�nir a la tecnología? 6. Describe brevemente las diferentes actividades que constituyen el método cientí�co. Menciona un ejemplo de aplicación del mismo en las ciencias ambientales, puede ser en la elaboración de un plan para mejorar la selección y disposición de basura en tu colonia o delegación.
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1 UNIDAD
La energía, la materia y los cambios
Contenido
1 Energía, motor de la humanidad 2 La materia y los cambios 3 El Sol, horno nuclear 4 El hombre y su demanda de energía
Del análisis efectuado en el 2010 por la Agencia Internacional de Energía (IEA por sus siglas en inglés) para determinar las perspectivas de suministro de energía en el periodo comprendido entre 2010 y 2035, destacamos la siguiente observación: • La elevación de los precios de los combustibles fósiles en los mercados internacionales y consecuentemente de sus derivados y el incremento de las penalidades económicas que se han establecido en muchos países por la utilización de combustibles fósiles, ha derivado en políticas nacionales para el ahorro y e�ciencia energética y el cambio a otras fuentes de energía, en especial, la energía renovable. Esto permitirá que pese a que la demanda global de energía para el año 2035 aumenta en un 36%, el petróleo, carbón y gas natural sólo participarán con la mitad de ese aumento. Asimismo del UNEP (United Nations Environmental Programme) Year Book 2011 hace un resumen de sus observaciones sobre le energía renovable, 1.
En el 2009, la nueva inversión global en energía sustentable llegó a los 162 mil millones de dólares y si esta tendencia se mantuvo en el 2010, el 2011 será el primer año en que la capacidad mundial de energía generada con fuentes renovables excede a la capacidad mundial de energía con combustibles fósiles.
2.
Lo anterior sucedió en el 2009 tanto en Europa y los Estados Unidos quienes por segundo año consecutivo, añadieron más capacidad de generación de fuentes renovables tales como la eólica y solar que de fuentes convencionales como carbón, gas y nuclear.
OCDE Pacífico
La �gura nos muestra la demanda proyectada de energía renovable 2008 vs. 2035. La participación de las energías renovables en la generación global de electricidad está proyectada a que crezca de 18 a 32% entre 2008 y 2035, debido principalmente a la energía eólica y a la hidráulica. Fuente IEA (2010)
China
2008 2009
África India Brasil Estados Unidos Unión Europea 0
200 100 300 400 500 Equivalente en petróleo en millones de toneladas
Introducción a la química y el ambiente ENERGÍA, MOTOR DE LA HUMANIDAD
Figura 1.1
La mayor fuente de la energía que se requiere para cubrir las necesidades de los seres humanos proviene de la combustión —reacción química exotérmica— de los combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas natural) que abastecen aproximadamente 80% (véase �gura 1.1) de esa demanda. Con los consumos de 2009, las reservas mundiales de estos combustibles se estima que duren, 46, 119 y 63 años,* respectivamente.
Los combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas natural) participan con las cuatro quintas partes de las fuentes de energía mundial desde hace más de 100 años, porque son relativamente económicos, han sido abundantes y energéticamente ricos y la infraestructura global está bien equipada para producirlos, distribuirlos y utilizarlos. En la generación de electricidad, los combustibles fósiles proporcionan alrededor de 67% del total global, mientras que la energía nuclear y la hidroeléctrica contribuyen con 15 y 16%, respectivamente. La electricidad obtenida con fuentes renovables como la energía solar, geotérmica y eólica está creciendo muy rápidamente pero aún constituye sólo un pequeño porcentaje (aproximadamente 2%) del total. Es importante mencionar que 27% de la energía eléctrica generada en el mundo se pierde durante la generación y transmisión. m
De acuerdo con la Agencia Internacional de Energía (IEA, por sus siglas en inglés), en 2008 el mundo consumió 8 428 Mtoe (millones de toneladas equivalentes de petróleo). Esta cantidad de energía es igual a la obtenida si se quemaran 8 428 millones de toneladas de petróleo. Conforme a las estimaciones de la Organización de las Naciones Unidas, la población sobrepasará los nueve mil millones de habitantes en 2050, lo que dará como resultado que la demanda de energía se incremente 50% ya desde el año 2030 y que en 2050 se duplique e inclusive se triplique dicha demanda. Surge entonces la pregunta, ¿de dónde obtendrá el ser humano toda esta energía? La respuesta más probable, al menos hasta el año 2030, es que de los combustibles fósiles. Debemos entonces basar nuestros requerimientos energético s en fuentes alternas de energía como la energía eólica y el hidrógeno, por ejemplo, haciéndolas más accesibles y económicamente viables ya que como veremos, cuando tratemos el tema del petróleo, la “demanda pico” (el punto en el cual la mitad de las reservas mundiales accesibles hayan sido ya extraídas) está muy próxima: la Agencia Internacional de Energía estima que la producción pico de petróleo será en algún punto comprendido entre 2013 y 2037, y de ahí en adelante vendrá un decrecimiento en la producción de petróleo y la demanda superará a la oferta de este combustible fósil.
NOCIÓN DE ENERGÍA El concepto físico de energía que nos expresa que energía es la capacidad que tiene un cuerpo o un sistema para desarrollar un trabajo, aunque totalmente válido para los cálculos ordinarios de la Física y la Química, tuvo una nueva acepción a partir de la famosa equivalencia masa-energía descubierta por Einstein ( DE 5 Dmc2) y su posterior aplicación en la física nuclear , principalmente en los fenómenos de radiactividad, �sión y fusión. La �sión nuclear fue descubierta en Europa, en el siglo pasado, en la década de los años 40, obteniéndose de una pequeña masa de un material radiactivo una enorme cantidad de energía. Estudios posteriores condujeron a la
* Fuente: BP Statistical Review of World Energy, 2010. 4
UNIDAD 1
La energía, la materia y los cambios
creación de la bomba atómica en EUA, por Robert Oppenheimer y un grupo selecto de investigadores y cientí�cos, la que permitió (funestamente) terminar con la Segunda Guerra Mundial. Posteriormente, el uso pací�co de la energía nuclear abrió una posibilidad de un ilimitado suministro de energía. Sin embargo, el desarrollo espectacular de la energía atómica que se tuvo en un principio, se ha visto detenido por razones ecológicas, derivadas del difícil desecho de materiales radiactivos procedentes de las plantas nucleares, y de varios accidentes en algunas de ellas, de graves consecuencias (el último en Chernobyl, Ucrania). La fusión nuclear (proceso que se lleva a cabo en el Sol) y que es inverso al de la �sión nuclear, permite fundir masas de átomos muy ligeros para formar átomos más pesados, con un desprendimiento de energía. Sin embargo, todavía se requiere de algunas décadas de investigación, debido principalmente a la tecnología necesaria para desarrollar los millones de grados centígrados necesarios para efectuar la fusión nuclear. En este proceso no hay contaminantes y las materias primas son abundantes en la Tierra.
ENERGÍA POTENCIAL Y CINÉTICA Seguramente recordarás, cuando estudiaste mecánica en tu clase de Física, las conversiones de energía potencial —energía “almacenada” que tiene un cuerpo debido a su posición en un campo gravitacional— en energía cinética —energía que adquiere ese cuerpo al “liberar” esa energía potencial “transformándola” en movimiento—. El ejemplo de un patinador (de cualquier masa) que se desliza desde un desnivel que tiene una altura de 10 m hasta un piso horizontal adquiriendo una velocidad (si no hubiera fricción) de aproximadamente ¡50 km yh!, es muy elocuente. Estas clases de energía también aparecen con gran frecuencia en multitud de cambios o reacciones químicas . Por ejemplo, cuando se carga con energía eléctrica una pila o un acumulador, lo que se hace es proporcionarle energía en forma de energía química, misma que queda almacenada (energía potencial). Una vez que estén cargados, tienen capacidad para desarrollar trabajo, siempre y cuando exista una diferencia de potencial eléctrico (equivalente al potencial gravitacional que proporciona el desnivel del ejemplo anterior), con lo cual se puedan descargar gradualmente. Si se utiliza esa energía para mover un juguete, o mejor aún para hacer un experimento de electrólisis en tu laboratorio, podrás observar que existe un movimiento (energía cinética) de los iones, que permite que �uya la corriente eléctrica en el circuito y en tu solución (tener una solución electrolítica —que conduce la corriente—), mediante la cual se efectúan reacciones químicas en los electrodos.
TRANSFERENCIA Y TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA Hay dos conceptos fundamentales que son necesarios en la interpretación de la transferencia de energía: el contacto térmico y el equilibrio térmico . Dos objetos están en contacto térmico si entre ellos existe la posibilidad de que h aya una modi�cación de la temperatura en cada uno de ellos, lo cual sólo se logra si tienen temperaturas diferentes (véase �gura 1.2). El equilibrio térmico existe cuando dos objetos en contacto térmico ya no cambian de temperatura. Por ejemplo, un cartón de leche que se saca del refrigerador y se pone 5
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Introducción a la química y el ambiente sobre la mesa, está en contacto térmico con la mesa y el aire que las rodea. Después de varias horas, la temperatura es la misma, es decir los tres cuerpos alcanzan el equilibrio térmico. Este comportamiento es el que sigue también un termómetro. La existencia de este equilibrio mutuo es una ley fundamental de la termodinámica: la Ley cero.
Figura 1.2
Figura 1.3
T A
Cuerpo caliente
Sistema C (Termómetro)
Flujo de calor T A . T B
T B
Cuerpo frío
El calor sólo �uye de un cuerpo con mayor temperatura a uno con menor temperatura.
Sistema A
Sistema B
La Ley cero de la termodinámica. Los sistemas en equilibrio termodinámico tienen la misma temperatura.
Termometría La medición que se puede apreciar de las transformaciones y transferencias de energía se hace, principalmente, utilizando la variable termodinámica que todos conocemos como temperatura. El concepto general que se tiene de esta propiedad es que nos muestra qué “tan caliente” o qué “tan frío” está un cuerpo o una sustancia. Su explicación particular de acuerdo con la física: “que es una medida de la energía cinética promedio de las moléculas” tampoco es muy explícita. Siendo ambas de�niciones correctas pero ambiguas, los cientí�cos tuvieron que utilizar irremediablemente temperaturas de referencia, para establecer escalas en los termómetros utilizados para medirla. El sentido del tacto nos indica la temperatura a la cual está un objeto, pero no es con�able. Por ejemplo, las parrillas del refrigerador se sienten más frías que la comida almacenada sobre ellas, aunque ambas estén en equilibrio térmico. La razón de que el metal se sienta más frío es que por el metal �uye el calor proveniente de tu mano (que por esta razón se enfría más) de una manera más e�ciente a la parrilla que a los alimentos. Los termómetros son los instrumentos que de�nen y miden la temperatura. El termómetro más común consiste de un volumen de mercurio, que se dilata dentro de un tubo capilar cuando se calienta. Cuando el termómetro está en equilibrio térmico con un objeto, se lee la temperatura en la escala del termómetro. Hay tres escalas de temperatura generalmente usadas: Celsius, Fahrenheit y Kelvin (también llamada absoluta). La comparación entre las escalas se muestra en la �gura 1.4. 6
UNIDAD 1
La energía, la materia y los cambios
En la escala Celsius, el punto de congelación del agua es 0, y el punto de ebullición es 100. El intervalo entre estas temperaturas se divide en 100 partes iguales llamadas grados. Como se puede observar en la �gura 1.4, sobre la escala Fahrenheit, el punto de congelación es 32° y el punto de ebullición es 212°. El intervalo entre estas temperaturas está dividido en 180 partes iguales. La relación entre las escalas Celsius y Fahrenheit es entonces:
Figura 1.4
K elvin
373.15
100 90 80 70
Punto de ebullición del agua
°F 5 1.8 (°C) 1 32 273.15
20 10 0 –10 –20
212 200
150
60 50 40 30
°F 2 32 °C 5 1.8
La escala Kelvin (K) tiene sus grados del mismo tamaño que la escala Celsius, como referencia, se observa que el punto triple del agua, corresponde a la temperatura en que se encuentran en equilibrio en un recipiente cerrado, el hielo, el agua y su vapor. Este punto se encuentra a los 273.16 K y es igual a .01 °C. Por tanto, para convertir Celsius a Kelvin simplemente se añade 273.15.
°Fahrenheit
°Celsius
100
Punto de congelación del agua
50 32 0
Las tres escalas de temperatura.
K 5 °C 1 273.15
Sistemas y sus alrededores La termodinámica, que es la ciencia que estudia el �ujo de la energía, trata con sistemas o partes del mundo, que mediante límites o fronteras bien de�nidas se separan conceptual o físicamente del resto del mundo o sus alrededores. Cuando se establecen para el sistema los valores de un conjunto de parámetros medibles tales como temperatura, presión, volumen y expresiones de concentración (como fracción mol), se considera la condición o estado del sistema como termodinámicamente de�nido, por lo que la temperatura es entonces el parámetro distintivo de los análisis termodinámicos. Sin embargo, no puede ser caracterizado cada estado de un sistema por una temperatura (y presión) bien de�nida y uniforme. En primer lugar, dada la distribución de velocidades moleculares (distribución de Maxwell-Boltzmann), una sola molécula o aun un pequeño grupo de moléculas no tienen una temperatura de�nida. Solamente se podrá asignar una temperatura a sistemas macroscópicos y sólo a esos sistemas se les podrán aplicar cálculos termodinámicos. Además, aun un sistema macroscópico manifestará desigualdades de temperatura (y presión), cuando éste sufre un cambio rápido. Un sistema macroscópico completo será caracterizable con una temperatura (y presión) única y solamente cuando el sistema permanezca en un estado sin cambio o equilibrio. Es precisamente en esos estados con los cuales es aplicable la termodinámica clásica. Enfocados entonces en los estados de equilibrio de sistemas macroscópicos, la termodinámica clásica no nos dice nada acerca de la trayectoria por las cuales se llegaron a los diversos estados, ni tampoco nada acerca de las velocidades a las cuales se desarrollaron esas trayectorias y se obtuvieron los diversos estados. La termodinámica 7
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Introducción a la química y el ambiente es una ciencia eminentemente práctica y si se encuentra ante algo imposible no debemos nunca esperar que se pueda conseguir, porque incluso lo que es posible puede requerir de un inmenso esfuerzo. Por ejemplo, los cálculos termodinámicos muestran que bajo presiones de 30 000 a 100 000 atmósferas se puede formar el diamante a partir del gra�to a temperaturas entre 1 000 y 3 000 K. Sin embargo, los intentos para lograr esta conversión fueron por un largo tiempo totalmente fallidos. No fue sino hasta 1954 en que la síntesis del diamante se logró tras el descubrimiento de un efectivo catalizador y la construcción de equipo adecuado para mantener las condiciones requeridas por horas y no por segundos.
Figura 1.5
Un sistema termodinámico no necesariamente consiste sólo de una sustancia, sino que puede consistir también de energía radiante o de un campo eléctrico o magnético. Sin embargo, usualmente un sistema comprende una sustancia que puede ser homogénea o heterogénea.
Abierto
Cerrado
Cerrado y aislado
Los dos tipos de sistemas termodinámicos. El termo o cualquier recipiente con paredes adiabáticas para aislar el �ujo de energía es un caso particular de un sistema cerrado.
Los sistemas que pueden intercambiar energía con sus alrededores pero no pueden transferir materia a través de sus límites se conocen como sistemas cerrados, como por ejemplo una batería o un termo (�gura 1.5). Los sistemas en donde se puede intercambiar tanto la masa como la energía con sus alrededores, se les conoce como sistemas abiertos como por ejemplo el motor de un automóvil y el cuerpo humano.
CALOR, TRABAJO Y TEMPERATURA Calor y trabajo
Figura 1.6
P
Cuando un sistema gana energía por radiación, conducción o convección térmica, como resultado de una diferencia de temperatura con sus alrededores, está absorbiendo una cantidad positiva de calor y la energía interna del sistema aumenta. Si gana energía por otros medios, como por ejemplo por la acción de fuerzas mecánicas en sus alrededores, se considera que se está haciendo sobre el sistema una cantidad positiva de trabajo porque la energía interna del sistema también aumenta. En el caso contrario en que el sistema desprenda calor o haga trabajo en sus alrededores,
estas cantidades se consideran negativas porque disminuyen la energía interna del sistema. Esta convención de signos es contraria a la que fue utilizada común-
L
mente en la literatura técnica hasta antes de 1970. La expansión de un gas es un ejemplo de trabajo que frecuentemente sucede en reacciones químicas. Si un gas se expande en contra de una presión externa P ex (�gura 1.6), el trabajo desarrollado es: V 2
w52 P ex
Un sistema también hace trabajo cuando se expande en contra de una presión externa. El trabajo es proporcional a la presión externa P ex, y al cambio de volumen DV (L 3 Área del pistón). 8
V 1
Pex dV 5 2Pex DV
(1.1)
si hubiera una compresión el trabajo será positivo.
Ejemplo Encontrar la cantidad de trabajo hecho sobre los alrededores, cuando 1 litro de un gas ideal, inicialmente a una presión de 10 atmósferas, se deja expandir a 10 litros
UNIDAD 1
La energía, la materia y los cambios
a una temperatura constante: a) reduciendo la presión externa a 1 atm en un solo paso; b) reduciendo P primero a 5 atmósferas y luego a 1 atm, y c) permitiendo que el gas se expanda en un espacio al vacío cuyo volumen total es de 10 litros.
SOLUCIÓN: Primero hay que observar que DV , que es una función de estado,* o sea que es la misma para cada operación: de P2V 2 5 P1V 1 V 2 5 (10y1) 3 (1 L) 5 10 L, de tal forma que DV 5 10 2 1 5 9 L
Para la trayectoria a): w 5 2 (1 atm) 3 (9 L) 5 2 9 L-atm 5 2 9 L-atm 3 101.3 joulesyL-atm 5 2 911.7 joules
Para la trayectoria b), el trabajo se calcula separadamente para cada etapa: w 5 2(5 atm) 3 (2 L 2 1 L) 1 (2) (1 atm) 5 213
3 (10
L 2 2 L)
L-atm 3 101.3 joulesyL-atm 5 2 1 316.9 joules
Para la trayectoria c) el gas se expande a 10 L en contra de una presión externa de cero y entonces w 5 (0 atm) × 9 L 5 0, esto es que no se hace trabajo porque no hay una fuerza que se oponga a la expansión.
Calor y temperatura Para los iniciadores de la termodinámica entender qué signi�ca calor fue un reto. Inclusive, la equivalencia de calor y trabajo como formas diferentes de energía no fue establecida de manera inequívoca sino hasta hace relativamente poco tiempo. En 1842 Julius Robert von Mayer (1814-1874), médico y físico alemán, estableció la Ley de la Conservación de la Energía en su forma moderna, incluidas todas las formas de energía, entre ellas el calor. Ahora de�nimos calor como “la transferencia de energía que resulta de diferencias en la temperatura”. La di�cultad en entender el concepto de calor se derivó principalmente de su confusión con el concepto de temperatura. Los primeros cientí�cos tendían a creer que los objetos llegaban a un equilibrio térmico cuando cada uno de ellos contenía una cantidad igual de calor por unidad de volumen. El químico inglés Joseph Black (1728-1799) es famoso por su descubrimiento del calor latente y porque fue el primero en reconocer claramente la diferencia entre la cantidad de calor y la temperatura. Su trabajo fue publicado hasta después de su muerte en 1799. Demostró que sustancias distintas tienen capacidades calorí�cas diferentes y que el equilibrio térmico se establece entre dos cuerpos cuando sus temperaturas son las mismas. El calor �uirá hasta que los gradientes de temperatura desaparezcan, es decir, que las diferencias en temperatura proporcionan la fuerza conductora para que �uya
*Una función de estado es aquella que: 1. Tiene un valor definido para un sistema determinado en un estado dado, independientemente de la historia de ese sistema y 2. Cambia con una cantidad definida en un cambio de estado dado, independientemente de la trayectoria con la que sucedió el cambio. 9
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Introducción a la química y el ambiente el calor. La relación entre la cantidad de calor transferida a un cuerpo y el cambio consiguiente en su temperatura depende de su capacidad calorí�ca: C5
dq dT
(1.2)
donde C es la capacidad calorí�ca, q es el calor y T es la temperatura.
Figura 1.7
El término teórico “temperatura” adquiere relevancia empírica cuando sabemos cómo se determina la temperatura mediante un termómetro de gas ideal a volumen constante V (�gura 1.7). Para una cantidad dada de un gas perfecto P T . Esta relación, junto con la de�nición del triple punto del agua —temperatura a la cual coexisten hielo, agua y vapor de agua en equilibrio— de 273.16 K, nos permiten tener una escala completa de temperaturas aplicando la siguiente relación: ∝
PyPpt 5 T y273.16 K, en donde si despejamos T , T 5 273.16 K (PyPpt)
(1.3)
el subíndice pt nos indica la presión del vapor de agua en el punto triple (0.6117 kPa) y P es la presión de la columna de mercurio con una altura h cuando se mide una temperatura T . Para las interconversiones de las unidades de presión hay que recordar que 101.3 kPa 5 1 atm 5 76 cm de Hg. Cuando el gas en el bulbo cerrado llega al equilibrio a la temperatura ( T ) que priva en el recipiente, y manejando en forma adecuada el bulbo de nivelación, hacemos que el menisco del mercurio coincida con la marca de referencia. Al tener fijo el volumen de gas (V ), obtenemos la presión ( P ) midiendo la altura (h). El valor de T se obtiene de la ecuación (1.3). m
Energía interna Supongamos que un sistema recibe de sus alrededores una cantidad de calor ( q) y que como resultado de ello el sistema hace una cierta cantidad de trabajo ( w) sobre sus alrededores. Si, como es de esperarse, el trabajo desarrollado por el sistema es menor que el equivalente mecánico del calor recibido por el sistema, de acuerdo con el principio de conservación, debemos suponer que la energía equivalente a la diferencia (q – w) es algo que de alguna forma queda almacenada en el sistema como un aumento de su energía interna E. De acuerdo con nuestra convención de signos, lo anterior lo podemos expresar así: q + (−w) 5 DE o q − w 5 DE
(1.4)
La energía interna es la suma de todas las formas microscópicas de energía de un sistema y puede ser considerada, en términos generales, como la suma de las energías potencial y cinética de todas sus moléculas. La energía interna es una función de estado en donde el cambio de energía interna cuando un sistema pasa de un estado A a un estado B es independiente de la 10
