martes, 15 de enero de 2013

PROCESO ASOCIADOS CON EL CALOR Y LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUIMICAS


8.1 ENTALPIA DE REACCION Y ENTALPIA DE FORMACION

Durante toda su existencia, la humanidad ha utilizado reacciones químicas para producir energía. Éstas han ido desde las más rudimentarias, como la combustión de madera o carbón, hasta las más sofisticadas, como las que tienen lugar en los motores de aviones, naves espaciales, lanchas ultrarrápidas y automóviles de carreras. Como sabemos, las reacciones químicas van acompañadas de un desprendimiento o de una absorción de energía. (En el mundo se han utilizado las diferentes energías que hoy son de buen útil)

Las reacciones químicas provocan una variación de energía, que suele manifestarse en forma de calor. Su estudio es muy importante, por lo que en este bloque se determinara el calor absorbido o desprendido en las reacciones, así como los posibles métodos para su determinación.(Siempre se ha estudiado el calor que es una de las principales fuentes de energía mas conocida en el mundo)

Antes de continuar, se establecerá el significado de algunos términos que se emplean con frecuencia, como la palabra sistema. Por sistema se entiende la porción especifica del universo en la cual se enfoca la atención.

Por ejemplo, si se quisieran considerar los cambios que se producen en una solución de cloruro de sodio y nitrato de plata, la solución es el sistema, mientras que el vaso de precipitados y todo lo demás son los alrededores.

Para explicar los cambios que se producen en un sistema, es necesario definir con precisión sus propiedades, antes y después de que se produzca el cambio. Por lo regular, esto se hace al especificar el estado del sistema, es decir, al reunir un grupo especifico de condiciones de presión, temperatura, numero de moldes de cada componente y su forma física (por ejemplo, gas, liquido, solido, forma cristalina).Al especificar estas variables, se han fijado todas las propiedades del sistema. Por tanto, el conocimiento de estas características permite definir sin ambigüedad las propiedades del sistema.

Continuando con el tema, diremos que en los siglos xvll y xvlll, los mundos de la química y la física parecían estar bien delimitados. La química se enfocaba al estudio de aquellos cambios que implicaban alteraciones en la estructura molecular, entre tanto la física se encargaba del estudio de aquellos cambios que no implicaban dichas alteraciones.(Los científicos se han enfocado en la química  y en cambios que ocurren en la estructura molecular)

De esta manera, mientras que en la primera parte del siglo xlx Davy se ocupaba de alterar la ordenación molecular de los compuestos inorgánicos y Berthelot la de los compuestos orgánicos, los físicos Joule, Mayer y Helmholts estudiaban el flujo del calor, al que denominaron termodinámica (de las palabras griegas que significan movimiento de calor).En 1840, su trabajo comprobó que en los cambios sufridos por el calor y otras formas de energía, no se destruye ni se crea energía. A este principio se le llamo la LEY DE LA CONSERVACION DE LA ENERGIA O PRINER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA.(Estos científicos descubrieron esta ley que tardaron muchos años en descubrilo)

A estos trabajos se sucedieron las aportaciones de los físicos Carnot, Thomson, Kelvin, Clausius, quienes demostraron que el calor, abandonado a si mismo, fluyen espontáneamente  de un punto con mayor temperatura hacia otro con menor temperatura, y que a partir del calor se puede obtener trabajo solamente cuando existe tal flujo de calor a través de una diferencia de temperaturas. Esta indiferencia se generalizo para aplicarla a cualquier forma de energía que fluye desde un punto de mayor intensidad hacia otra de menor intensidad.(Los físicos hablaron acerca del calor y sus diferentes reacciones y cambios de temperatura)

Por su parte, en 1850,Clausius estableció el termino entropía para designar la proporción entre el calor contenido en un sistema aislado y su temperatura absoluta. Asimismo, demostró que en cualquier cambio espontaneo de energía, la entropía del sistema se incrementa. Este principio se le llamo segundo principio de la termodinámica.(Este científico descubrió que el calor puede ser aislado hasta su temperatura)

Tales avances en el terreno de la física no podían aislarse de la química, ya que después de todo, aparte del sol, la mayor fuente de calor en el mundo del siglo xlx residía en las reacciones químicas, como la combustión de la madera, el petróleo y el carbono. Por esta misma época, también se observo que otras reacciones químicas desarrollaban calor, por ejemplo, la neutralización de ácidos por bases. De hecho, todas las reacciones químicas implican algún tipo de transferencia térmica, ya sea de emisión de calor (y a veces luz) al entorno, o bien de absorción de calor (y a veces de luz) desde el entorno.(Se ha descubierto que las emisiones de calor son producidas al quemar diferentes combustibles, las que ya son comnocidas)

En 1840, los mundos de la química y de la física se unieron y comenzaron a marchar juntos gracias al trabajo del químico ruso-suizo Germain Henri Hess (1802-1850).Hess dio a conocer los resultados de cuidadosas medidas que había tomado sobre la cantidad de calor desarrollada en las reacciones químicas entre cantidades fijas de algunas sustancias.(El científico ruso conoció la reacción química a través del calor producido)

Logro demostrar que la cantidad de calor producida (o adsorbida) en el paso de una sustancia a otra era siempre la misma, sin importar la ruta química por la que había ocurrido el cambio, ni encutas etapas. Debido a esta generalización (la ley de hess), esta personalidad es considerada en ocasiones como el fundador de la termoquímica (química del calor de las reacciones químicas).Con base en dicha ley, parecía altamente probable que la ley de la conservación de la energía se aplicase tanto a los cambios químicos como a los físicos.(Habían métodos diferentes con que se producía el calor mediante sustancias)

Entre 1860 y 1869, Pierre berthelot, quien había hecho importantes trabajos en síntesis orgánica, concentro su atención en la termoquímica. Para ello, ideo algunos métodos parta efectuar reacciones químicas dentro de cámaras cerradas rodeadas por agua a temperatura conocida y a  partir del incremento en la temperatura del agua circundante al finalizar la reacción, podía medirse la cantidad de calor desarrollada por la misma. Utilizando este tipo de calorímetro (de la palabra latina que significa medida de calor), berthelot obtuvo determinaciones cuidadosas de la cantidad de calor desarrollada por cientos de diferentes reacciones químicas.(Desarrollo el método de calorímetro, que determinara la cantidad de calor que se producía)

A partir de la anterior explicación sobre el calor en las reacciones químicas, podemos decir que una razón por la cual se lleva a cabo es porque los productos alcanzan un estado de energía menor, más estable que el de los reactivos. Para que los productos alcancen este estado más estable, se debe liberar y emitir energía a los alrededores en forma de calor (o como trabajo y calor).(Se habla de las diferentes reacciones que se producían mediante el calor)

Cuando se neutraliza una solución de una base agregado un acido, la liberación de energía se nota por un aumento inmediato de temperatura en la solución. Por ejemplo, cuando el motor de n automóvil quema gasolina, desde luego se libera calor, y al mismo tiempo parte de la energía efectuada el trabajo de mover el automóvil.(El acido es el que neutraliza el aumento de calor en vehículos)

8.3 VELOCIDAD DE REACCION

¿Cómo se define la velocidad de una reacción química? ¿En que unidades se mide? ¿Qué factores afectan la velocidad de una reacción? ¿Qué es la catálisis? ¿Por qué cuando se agrega un acido a un clavo reacciona inmediatamente? ¿Por qué la leche se descompone mas rápido en lugares mas calurosos que en clima templado o frio? ¿Por qué un clavo tarda mas en disolverse en acido sulfúrico, que si estuviera pulverizado o en forma de viruta de hierro? Al concluir el estudio de este tema podrás contestar estas preguntas.(Existen muchos utensilios que usamos, en un tiempo se oxidad o se descomponen)

En la vida diaria los cambios suceden a diferente velocidad; por ejemplo, en la Ciudad de México el transito se hace muy lento en las horas pico (de 6 a 8 de la mañana y de 2 a3 de la tarde), pero de las 10 a las 12 del día se puede circular a muy buena velocidad por las principales calles de la ciudad.(Mediante la velocidad, hay diferentes tiempos en que cambia de menor a mayor en nuestra vida cotidiana)

También puedes regular la velocidad a la que gira un ventilador según la cantidad de aire que quieras recibir. Respecto a los alimentos, ¿Por qué al partir un aguacate se ennegrece rápidamente?, y si lo metes al refrigerador, ¿dura mas tiempo sin ennegrecerse? ¿A qué se debe eso? La velocidad es una medida del cambio que ocurre por unidad de tiempo.(Hay diferente métodos para regular el tiempo, en el caso de los alimentos)

En la mayoría de las reacciones químicas lo que interesa es acelerar las transformaciones, por ejemplo, en la fabricación de productos industriales; aunque en algunos casos el propósito es retardar una reacción, como la corrosión del hierro, la descomposición de alimentos, etcétera.(En los productos, se pueden descomponer hasta corrocerse, que son los alimentos y el hierro)

Por lo anterior, es muy importante saber como ocurren las reacciones químicas y los factores que efectúan la velocidad de reacción.

La parte de la química que estudia la velocidad de las reacciones se llama cinética química y la velocidad de una reacción se define como la cantidad de uno de los reactivos que se transforma por unidad de tiempo, o bien la cantidad de uno de los productos que se forma por unidad de tiempo.

Es frecuente confundir los conceptos velocidad de reacción y tiempo de reacción. Este último puede definirse como el tiempo transcurrido desde el inicio de una reacción hasta la aparente terminación de la misma.(En ciertas ocasiones, nos preguntamos acerca de la velocidad, que reacciones tendrán  con el tiempo lo productos)

La velocidad de una reacción depende del numero de choques eficaces (es decir, de los que producen una reacción) entre las moléculas reaccionantes.

El numero de choques eficaces esta en función de:

1. Numero de choques totales, que dependen a su vez de las concentraciones de los reactivos y de su estado físico

2. Numero de moléculas con energía cinética suficiente, que aumenta en gran medida con la temperatura.

De acuerdo con lo anterior (que se denomina teoría de las colisiones), existen cuatro factores que efectúan la velocidad de una reacción: naturaleza de los reactivos, concentración y estado físico de los reactivos, temperatura y catalizadores.(En nuestro ambiente habrá cambios que no podemos ver a nuestro alrededor)

TEORIA DE LAS COLISIONES

Muchos han sido los esfuerzos realizados para comprender las propiedades de la materia y para establecer una teoría sobre la naturaleza del calor. En la actualidad estas dos vertientes convergen para dar paso al modelo cinético molecular. Éste abarca una de las teorías científicas que tiene una gran influencia en el desarrollo de la física y la química. De dicha teoría surge la explicación del comportamiento de cada uno de los estados de agregación de la materia, describiendo como ocurren algunos fenómenos.(Se han explicado acerca de este modelo que tiene un comportamiento en los estados de agregación)  

La teoría cinética de la materia es el intento mediante el cual se desean explicar las propiedades observables en escala macroscópica de cualquier sistema que nos rodea y que se encuentran al menos en alguna de las tres fases: gaseosa, liquida o solida, a partir de las leyes que nos gobiernan las microscópicas que los forman; es evidente que en alguna forma es necesario recurrir a la imaginación, a la intuición y, en cierta medida, a la observación, para conceptualizar y definir dicho sistema.(Implica esta teoría acerca de las propiedades de la materia)

Esto quiere decir que la información que se puede obtener de este sistema está limitada a la observación y medición de algunos de sus atributos accesibles a nuestros sentidos, los cuales reflejan su naturaleza macroscópica, como su volumen, masa, presión, temperatura, color, energía, etc. Pero a partir de esta información muy poco se puede aprender del comportamiento individual de cada uno de los millones y millones de átomos o moléculas que los forman. Por ello es necesario recurrir a la imaginación para crear mentalmente un modelo en el cual, por medio de ciertas hipótesis, se describan algunas características de esta enorme población de átomos o moléculas.(Hay muchas moléculas  que forman cualquier materia como las estamos viendo en nuestro alrededor)

Este modelo tendrá un mínimo de hipótesis y con base en ellas habrá que deducir si las propiedades macroscópicas del sistema, descrito por dicho modelo, concuerdan con las observaciones realizadas en el laboratorio de las propiedades de un sistema real. Si la concordancia es satisfactoria, el modelo es apropiado para describir el sistema, si no, habrá que modificarlo hasta obtener uno que si lo sea.

De esta manera, haciendo suposiciones simples, relativas a la estructura y conducta de los átomos en la fase gaseosa, se obtiene una teoría molecular de los gases que concuerda con las diversas propiedades macroscópicas observadas.(Siempre habrá muchas formas de obtener cualquier estructura molecular)

NATURALEZA DE LOS REACTIVOS

La mayor o menor velocidad de una reacción depende de las características de las sustancias reaccionantes.Por ejemplo, en una solución acuosa las sustancias que forman iones reaccionan con gran velocidad, difícil de medir, como en la neutralización acido-base. En cambio, las reacciones que ocurren solidas, la velocidad de reacción varía dependiendo de la superficie de contacto. Por ejemplo, cuando se cuece una papa entera su velocidad de reacción es menor que si se cuece cortada en trozos; en este último caso tardaría menos tiempo en cocerse porque aumenta la superficie de contacto del vegetal con el agua.(No importa la velocidad que sea habrá cambios como sustancias solidas entre otras)

INFLUENCIA DE LA CONCENTRACION

De acuerdo con la teoría de las colisiones, para que se produzca una reacción química tiene que chocar entre si las moléculas iniciales.Ahora bien, según la teoría cinética, el numero de choques es proporcional a la concentración de cada reactivo. Por tanto, a mayor concentración, mayor numero de choques, y mayor la velocidad de reacción.(La teoría cinetica se encontrara velocidades en las moléculas)

Así, en la reacción para formar acido yodhídrico (HI), es evidente que si, por ejemplo, duplicamos la concentración de yodo (I ), cada molécula de hidrogeno (H ), al encontrase con un doble numero de moléculas de I , chocara un numero doble de veces, por lo que la velocidad de reacción se duplicara. Lo mismo ocurrirá si lo que se duplicara es la concentración de H .

Por tanto, la velocidad de la reacción será proporcional a la concentración de cada reactivo.

VELOCIDAD Y TEMPERATURA

Al elevar la temperatura de un sistema aumenta la velocidad de las moléculas y con ello el número de choques entre ellas, y viceversa. El notable incremento de la velocidad de reacción al aumentar la temperatura se debe a que se incrementa el porcentaje de moléculas activas, esto es, la energía cinética es superior a la de activación (la necesaria para iniciar una reacción).

CATALISIS

En el último cuarto siglo xlx, los científicos alemanes fueron pioneros en el estudio de los cambios físicos asociados a las reacciones químicas. El científico mas importante en este campo de las fisicoquímicas fue el químico ruso-germano Friedrich Wilhelm Ostwald (1853-1932), quien procedió casi inmediatamente a poner en práctica las teorías del físico estadounidense Josiah Wllard Gibbs (1839-1903), el cual estaba aplicado la catálisis a las reacciones químicas.(Hubo científicos que trataron de estudiar los cambios físicos en las reacciones químicas)

La catálisis (palabra sugerida por Berzelius en 1835) es un proceso en el cual la velocidad de una reacción química determinada se acelera, en ocasiones enormemente, por la presencia de pequeñas cantidades de una sustancia que no parece tomar parte en la reacción. Así, el polvo de platino cataliza la reacción entre el hidrogeno y el oxigeno. Por lo tanto: un catalizador es una sustancia que modifica la velocidad de una reacción sin sufrir cambios aparentes en su composición o peso.(En una sustancia habrá catalizadores que aceleran las reaccione químicas)

En un principio se creyó que los catalizadores no intervenían en una reacción química y actuaban por su simple presencia. En la actualidad se ha comprobado que toman parte activa en la reacción, formando compuestos intermedios inestables que se descomponen en seguida regenerando el catalizador, por lo que este no se consume. De esta forma, el catalizador cambia el curso ordinado de la reacción, lo cual reduce la energía de activación.

Ejemplos de catalizadores positivos (los que aceleran una reacción) son el dióxido de manganeso (MnO ), que se utiliza en la obtención del clorato de potasio (KClO ), Y EL PLATINO (Pt), que se emplea en la fabricación del acido sulfúrico (H SO ).

Un catalizador negativo, es decir, el que retarda una reacción, es el tetraetilo de plomo (C H ) Pd, que en México se utilizaba como antidetonante en las gasolinas hace muchos años.

Las acciones catalíticas intervienen en gran número de fenómenos químicos de importancia científica, industrial y biológica. Puesto que sin los catalizadores muchas reacciones se verificarían tan rápido o tan lentamente que sería imposible aprovecharlas, en diversas reacciones entre gases se utilizan catalizadores sólidos que se llaman de contacto. El proceso se denomina catálisis heterogenea.En los automóviles se utilizan convertidores catalíticos de contacto en los tubos de escape. Estos catalizan la oxidación del CO a CO  y los restos de hidrocarburos sin quemar de la gasolina. Los óxidos de nitrógeno se descomponen en N  y O  evitando que se emitan gases muy tóxicos a la atmosfera.(existen catalizadores que en el caso pueden ser los  automóviles)

CONSUMISMO E IMPACTO AMBIENTAL

En México, cada año se producen ocho millones de toneladas de residuos peligrosos; en el Distrito Federal se generan entre dos y tres millones de toneladas.

Solo el 12% se controla adecuadamente y el problema es agravado por el hecho de que cerca de 90% de estos residuos se encuentra en estado liquido, acuoso o semilíquido, lo que facilita su disposición clandestina.(Cada año se produce residuos peligrosos que pueden ser liquidos)

Muchos de los productos que usamos diariamente en nuestros hogares están catalogados como productos nocivos para nuestra salud y el medio ambiente. Esto implica que debemos tener cuidado con su consumo, manejo y desecho.(Hay que cuidar nuestra salud de los productos que usamos en el hogar)

Un material peligroso es cualquier que tenga una o varias de las siguientes categorías: corrosivo, toxico, reactivo, explosivo, inflamable o infeccioso. Si bien en la mayoría de las etiquetas de productos con sustancias peligrosas se menciona si es toxico, explosivo o inflamable y las precauciones que se deben tener en su uso, manejo y almacenamiento, también es cierto que podemos disponer de estas sustancias en las que no se informa que su disposición puede ser peligrosa. A nivel domestico e industrial no existe una cultura del manejo de estos residuos peligrosos y como emplearlos,  por lo que generalmente terminan de manejar irresponsable en los desagües, ríos, barrancas y tiraderos. En México, durante el año 2002, se importaron 276 000 toneladas de residuos tóxicos para su reciclaje.(Los que causan la muerte deben ser usado con mayor responsabilidad)

Como pequeños consumidores de residuos peligrosos podemos empezar por nuestro hogar, ya que una buena parte de los productos de limpieza, como desinfectantes, limpiahornos, desengrasantes, detergentes, cloro, blanqueadores, destapacaños y demás productos que usamos diariamente, contienen materiales tóxicos y algunos están registrados como pesticidas.(En nuestro hogar hay diferente productos de limpieza que pueden ser peligrosos)

En el mantenimiento de nuestra casa utilizamos materiales y productos tóxicos, tales como pintura, barnices y pegamentos. Por ejemplo, una pintura de aceite puede contener hasta 40% de oxido de plomo, por lo que un galón de puede contaminar hasta un millón de litros de agua potable. De 28 pesticidas que se usan en forma común, por lo menos 23 son carcerigenos;  anualamente, 20 000 muertes son causadas por residuos de pesticidas en los alimentos. Una pila pequeña puede contaminar hasta 600 000 litros de agua.(habrá muchas soluciones para el contaminante mas peligroso que es la pintura)

México vive una situación de emergencia ante la acelerada y dramática desaparición de sus bosques y selvas; en las últimas cinco décadas la superficie forestal se redujo a la mitad, lo cual pone en riesgos a muchos otros recursos como la capacitación de agua.(En nuestro país sea tratado de proteger el ambiente que pude ser dramitico)


 

8.4 DESARROLLO SUSTENTABLE

La Ciudad de México y su gran área metropolitana ocupan un espacio geográfico que ha rebasado por muchos las expectativas de desarrollo y, por consiguiente, se ha generado una serie de problemas que impacta negativamente al medio ambiente y demerita la ciudad de vida urbana. Para recuperar una ciudad que genere la posibilidad de una vida donde haya un ambiente sano para las actuales y futuras generaciones, es urgente reencauzar y ordenar su crecimiento con lineamientos racionales y regulado. Este crecimiento ha provocado la sobreexplotación de los recursos naturales, especialmente del agua; la degradación del medio ambiente ha afectado la calidad del aire con un vehicular creciente; se ha deteriorado su fauna y su flora, y se ha roto el equilibrio hidráulico y geohidrologico.(Siempre habrá contaminación que nosotros podemos reciclar para que no sea un problema ambiental)