QUÍMICA

Elementos químicos

Llamamos ELEMENTOS QUÍMICOS a los componentes elementales de todas las sustancias químicas, es decir aquellos componentes básicos que no pueden ser descompuestos en nada más sencillo y que en diferentes combinaciones componen a todas las sustancias simples o compuestas, inorgánicas u orgánicas.

Se han hallado hasta la actualidad  90 elementos químicos en la Tierra y se supone la existencia de otros 2 que se sintetizaron en el laboratorio pero no se han encontrado en la naturaleza. También se han sintetizado otros 20 elementos, conocidos como transuránicos, pero son todos radiactivos y de vida media relativamente corta por lo cual se sabe que no existen naturalmente.

Estos elementos se encuentran ampliamente distribuidos en la atmósfera, la hidrósfera y principalmente la corteza terrestre; algunos son muy abundantes, conocidos y usados por el hombre, como el oxígeno, el carbono, el hidrógeno, el hierro, el cobre, etc. Otros, a pesar de su abundancia son poco conocidos y recién en los últimos tiempos se están utilizando con algún fin tecnológico como el silicio, el helio, o inclusive el aluminio. Algunos son muy conocidos a pesar de su escasez como el oro o el platino y finalmente a otros muy escasos y por eso poco conocidos y utilizados como osmio, disprosio, telurio, etc.

El hidrógeno (H) es el elemento más abundante del universo (prácticamente el 99%); es el principal componente de las estrellas y del polvo interestelar en estado nativo o como plasma. Es el elemento de átomos más livianos, el la Tierra se encuentra siempre combinado formando parte principalmente del agua (11% en masa) y de algunos minerales de la corteza; es prácticamente inexistente en la atmósfera pero es fundamental para los seres vivos.

El oxígeno (O) es el elemento más abundante de la corteza terrestre (46%) y en el agua (88%), y el segundo en abundancia en la atmósfera (21%) y es también de fundamental importancia para la vida. Interviene junto con el agua y el CO₂ en el ciclo de la respiración y fotosíntesis que sostiene el sistema vital terrestre.

El carbono (C) es un elemento relativamente escaso, dada su fundamental importancia para los seres vivos; se encuentra en estado nativo en los yacimientos de carbón, grafito y diamante que son sus tres variedades alotrópicas naturales; también combinado formando sustancias compuestas como el dióxido de carbono (CO₂) atmosférico y numerosos minerales de la corteza o disueltos en el agua conocidos como carbonatos, entre ellos el carbonato de calcio que forma al mármol.

El nitrógeno (N) es el principal componente de la atmósfera terrestre donde se encuentra en estado nativo (89%) mezclado con el oxígeno y otros. En menor proporción en la corteza terrestre formando numerosos minerales conocidos como nitratos y nitritos, es también un elemento biogenésico, es decir de fundamental importancia para los seres vivos.

El Helio (He) es el segundo elemento en abundancia relativa en el universo, se forma a partir del hidrógeno en la reacción nuclear de fusión, por la que obtienen su energía luminosa y calórica todas la estrellas. Prácticamente no se encuentra en la Tierra. Junto con el neón (Ne), argón (Ar), kriptón (Kr) y xenón (Xe), forma parte del grupo de los gases inertes, llamados así por su casi nula actividad química, por lo que se los encuentra sólo en estado nativo en el aire atmosférico.

El silicio (Si) es el segundo elemento en importancia en la corteza terrestre (28%) donde se encuentra siempre combinado formando una enorme variedad de minerales conocidos como silicatos que integran casi todas las rocas y suelos desde la arena pasando por la arcilla hasta el granito. Es uno de los pocos metaloides que se emplea en la fabricación de semiconductores que han adquirido gran importancia en la nueva revolución tecnológica provocada por la electrónica.

Aluminio (Al), calcio (Ca), sodio (Na), potasio (K) y magnesio (Mg) son los metales más abundantes de la corteza terrestre (19%)(El SIAL y el SIMA) donde se encuentran siempre combinados formando minerales.

El hierro (Fe) y en níquel (Ni) son los elementos que componen casi todo el núcleo terrestre y forman numerosos minerales en la corteza terrestre. Se encuentran también en muchos meteoritos.

El oro (Au), la plata (Ag) y el cobre (Cu), son de los pocos metales que pueden encontrarse en la corteza terrestre en estado nativo en filones o arenas sedimentarias.

El azufre (S), junto con el carbono es de los pocos no metales que pueden encontrarse en estado nativo formando depósitos o yacimientos superficiales o subterráneos en la corteza, pero también se encuentra combinado con otros formando minerales llamados sulfuros, sulfitos y sulfatos, de los cuales el yeso (sulfato de calcio) es uno de los más conocidos. Es uno de los oligoelementos como el fósforo (P) que en cantidades menores es importante también para los seres vivos.

Varios metales livianos como sodio (Na), potasio (K), calcio (Ca) son también oligoelementos vitales y se encuentran ampliamente distribuidos en la corteza terrestre, o disueltos en el agua de ríos, mares y napas subterráneas.

Otros metales más pesados relativamente abundantes en la corteza tienen diversos usos como el cinc (Zn), cromo (Cr), mercurio (Hg), estaño (Sn), plomo (Pb) , etc.

Los halógenos: flúor (F), cloro (Cl), bromo (Br) y yodo (I), constituyen un grupo muy particular de no-metales muy reactivos que se encuentran en numerosos minerales de la corteza o en el agua, combinados con varios metales.

Los elementos de átomos más pesados que los de plomo, como radón (Rn), radio (Ra), torio (Th), uranio (U), etc. son radiactivos, es decir que sus átomos transmutan con el tiempo en otros átomos más livianos emitiendo radiaciones α, β, o γ que son nocivas para los seres vivos pero se suelen usar en algunas actividades industriales o de diagnóstico o tratamientos médicos.

Por último, los elementos de átomos más pesados que los del uranio, como el plutonio (Pu) y muchos otros, se conocen como transuránicos y son todos sintéticos, es decir fabricados en el laboratorio o en los reactores nucleares y sus átomos terminan transmutando en otros más livianos en un tiempo más corto o más largo.

El concepto de elemento químico no siempre estuvo claro en el conocimiento científico. En la antigüedad clásica, con el pensamiento griego aparecieron las primeras ideas acerca de que todo lo conocido estuviera formado por unos pocos elementos y se consideraba como tales al agua, el aire, la tierra y el fuego, y en cambio no se reconocían como tales a elementos de mucho uso como el hierro, el cobre, el cinc, el estaño, el plomo, el oro, la plata y otros. Este pensamiento se extendió prácticamente durante toda la Edad Media, aunque se fueron incorporando otros como el mercurio y el azufre. Los alquimistas descubrieron nuevas sustancias y elementos como bismuto, platino, fósforo, níquel, magnesio y otros,  pero aún sin tener claro cuales eran elementales y cuales eran compuestos.

No fue sino hasta la formulación de las leyes de conservación de las masas y de los elementos propuestas por Lavoisier a fines del siglo XVIII, cuando se adquirió una noción clara de lo que debía considerarse un elemento químico, es decir que aquello que no puede descomponerse en nada más sencillo y además permanece inalterable en los fenómenos químicos.

Así hacia fines del siglo XVIII y principios del siglo XIX se reconocieron y descubrieron más de 40 elementos, entre ellos: hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, cloro, uranio, titanio, cromo, sodio, potasio, calcio, yodo, silicio, aluminio, etc.

Ya desde la antigüedad se distinguían las sustancias metálicas de las demás porque se les podían dar forma mediante golpes de martillo, eran maleables, dúctiles, se fundían al calor, se aleaban entre sí, etc. pero ahora era posible distinguir cuales de esos materiales metálicos eran verdaderos elementos químicos y así se clasifican estos en dos grupos, los metales que reunían esas características y además eran buenos conductores del calor y de la electricidad y formaban iones positivos en los compuestos, y los No-metales que tenían características generalmente opuestas.

Sin embargo la gran cantidad de elementos que ya se conocían y se seguían descubriendo hacía necesaria una mejor clasificación. Así aparecieron las tríadas de Döbereiner (que los clasificaba en grupos de tres elementos) y las octavas de Newlands (que los ordenaba en períodos de ocho elementos a partir de los cuales las propiedades comenzaban a repetirse). Finalmente en 1869 Dmitri Mendeléyev (o Mendeleiev) publica su obra “Principios de Química” en la cual incluía la “Ley de la Clasificación Periódica” y proponía su Tabla. Según esta ley, “las propiedades químicas de los elementos y muchas de sus propiedades físicas son función periódica de sus masas atómicas.” Es decir que al ordenar los elementos según el orden creciente de sus masas atómicas, se ve que después de un cierto número, las propiedades comienzan a repetirse y se pueden agrupar en columnas de propiedades similares constituyendo así una tabla. Mendeleiev armó esta tabla siguiendo dos intuiciones: en primer lugar alteró el orden de las masas de algunos elementos para respetar su pertenencia a un determinado grupo y en segundo lugar dejó algunos casilleros vacíos sosteniendo que allí irían elementos que aún no se habían descubierto. Esta capacidad predictiva le dio mucha importancia a esta nueva ley y los textos de Mendeleiev se divulgaron por todo el mundo. En pocos años los casilleros vacíos se fueron ocupando con nuevos elementos que se descubrieron como el Galio (Ga) y el germanio (Ge) y además hubo que agregar una nueva columna para los gases inertes (no prevista por Mendeleiev porque no conocía a ninguno de ellos). Hacia fines del siglo XIX, con el conocimiento de la estructura interna del átomo que veremos más adelante, se hizo evidente que el Número Atómico (Z), es decir la cantidad de protones de los átomos, era una característica más distintiva del elemento que su masa atómica. A principios del siglo XX Henry Mosseley modificó parcialmente la ley de Mendeleiev para sostener que “las propiedades de los elementos son función periódica de sus Números Atómicos” solucionando así el problema de las alteraciones en el orden de la Tabla original. Con algunas modificaciones menores, esta tabla es la que se utiliza en la actualidad.

La Tabla Periódica es entonces la clasificación de los elementos químicos en orden creciente de sus números atómicos y agrupados según sus propiedades químicas. Tiene una estructura característica formada por: 18 grupos o columnas verticales, 7 períodos o filas horizontales,  4 sectores y 3 bloques.

En cada celda o casillero de la Tabla se incluye un solo elemento químico y se anotan de él su nombre, símbolo, número atómico, masa atómica relativa y configuración electrónica entre otros datos  que pueden aparecer según la edición como el estado de oxidación, la densidad, el punto de fusión, el de ebullición, el estado de agregación o la estructura cristalina.

Estudiaremos en clase con mayor detalle esta Tabla y su relación con la estructura del átomo.

FOTOMETRÍA

La Fotometría es la rama de la Física, en Óptica, que estudia específicamente la medición de las cantidades de luz. Este concepto de cantidad de luz es bastante amplio por lo que se hace necesario  definir algunas magnitudes con mayor precisión.

Llamaremos Flujo Luminoso (Φ) a la magnitud física que expresa la cantidad total de luz emitida por una fuente en función del tiempo. Podemos expresarlo también como la potencia luminosa percibida, es decir la energía radiante en el rango de frecuencias visibles. Así distinguiremos al Flujo Luminoso del flujo radiante ya que este último se refiere a la potencia radiante total sin tener en cuenta si es visible o no. Dicho de otra forma el Flujo luminoso es la parte visible del flujo radiante. También puede verse como la cantidad de luz que atraviesa un sector del espacio en la unidad de tiempo. El Flujo Luminoso es una magnitud escalar derivada y la unidad utilizada en el S. I. para expresar el flujo luminoso es el lumen (lm), que se deriva de la candela (cd).

Llamaremos Intensidad Luminosa o Lumínica (I) a la magnitud óptica, fundamental en el S.I., que expresa el Flujo Luminoso por unidad de ángulo sólido.

En esta etapa consideraremos que comprendes el concepto de ángulo sólido y conoces su unidad, el estereorradián; de no ser así ocúpate en averiguarlo convenientemente.

Podremos escribir esta relación en la siguiente fórmula:

I = Φ/Ω    (1)

En la que Ω representa el ángulo sólido. Para una fuente isótropa, es decir que emite luz en todas direcciones de manera homogénea, el ángulo sólido es el correspondiente a una esfera regular es decir:  Ω = 4 π rad.

Por lo que la Fórmula (1) puede escribirse también como

Φ = 4πI   (2)

La unidad de Intensidad Luminosa en el S.I. es la candela (cd) considerada una unidad fundamental y definida como la Intensidad de la fuente patrón correspondiente a la radiación luminosa emitida perpendicularmente por una superficie de 1/60 cm² de platino a su temperatura de fusión.

Llamaremos Iluminación o Iluminancia (E) a la magnitud óptica que expresa la cantidad de luz que recibe una superficie es decir el flujo luminoso por unidad de superficie. Podemos expresar en la fórmula:

E = Φ/S   (3)

En la que S representa la superficie iluminada.

La unidad de Iluminación en el S.I. es el lux (lx) que se define como la iluminación producida por un flujo de 1 lumen por cada metro cuadrado de superficie (lx =lm/m²)

Llamaremos Eficacia o Rendimiento luminoso (Rd) a la relación entre el flujo luminoso emitido por una fuente y la potencia total de la misma: Rd =Φ/P   (4) que se puede expresar en lm/W.

La Ley Fundamental de la Fotometría establece una relación de proporcionalidad entre la Intensidad (I) de la fuente luminosa y la Iluminación (E) que esta es capaz de provocar sobre una superficie situada a una distancia (d). Su enunciado más común dice: “La Iluminación recibida por una superficie cualquiera es directamente proporcional a la Intensidad de la fuente e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia perpendicular entre ambas”.

Queda expresada convenientemente por la fórmula (E = I/d²)  (5) que no necesita un factor de conversión de unidades ya que (lx = cd/m²)

Los fotómetros son los instrumentos ópticos utilizados para medir la intensidad luminosa de una fuente; existen varios tipos de fotómetros pero el más común es el de Bunsen. Consiste simplemente en una hoja de papel con una gota de aceite cuyo funcionamiento se basa en esta última Ley. La mancha de aceite sobre el papel se ve transparente desde la cara menos iluminada y opaca si la observamos desde la cara más iluminada, por lo que tiende a desaparecer a la vista cuando ambas caras están igualmente iluminadas resultando así un buen instrumento de comparación del que podemos deducir que:

E1 = E2  y por lo tanto    

Si I₂ corresponde a una intensidad conocida y las distancias pueden medirse sobre la regla, resultará

Que se utiliza como fórmula de cálculo en el Fotómetro.

Los espejos permiten observar ambas caras al mismo tiempo.

Veamos algunos ejemplos:

Una lámpara incandescente tiene una eficacia de unos 12 lm/W, por lo que una lámpara de 60 W emitirá un flujo luminoso que según la fórmula (4) puede calcularse:

Φ = Rd.P  

Φ = 12 lm/W x 60 W

Φ = 720 lm

Su Intensidad puede calcularse con la fórmula (2)

I = Φ/4π

I = 720 lm/ 4π

I = 57,296 cd

Dicha lámpara colocada directamente sobre una mesa a unos 2 m de distancia producirá una iluminación que puede calcularse con la fórmula (5)

E = I/d²

E = 57,296 cd/2² m²

E = 14,324 lx

Si la mesa tiene una superficie rectangular de 80 cm de ancho y 1,2 m de largo podremos calcular el flujo que llega a ella con la fórmula (3)

Φ = E . S

Φ = 14,324 lx . (0,8 m . 1,2 m)

Φ = 14,324 lx . 0,96 m²

Φ = 13,75 lm

Si acomodáramos la misma lámpara en un sistema con un espejo reflector que le permita concentrar todo el flujo emitido sobre la mesa, la Iluminación mejoraría notablemente ya que el flujo incidente será  Φ = 720 lm y podremos calcular la Iluminación de la mesa como:

E = Φ/S

E = 720 lm/0,96 m²

E = 691,2 lx

CINEMÁTICA

La Cinemática es la rama de la Física, en Mecánica que estudia el movimiento en sí mismo, sin tener en cuenta las causas que lo producen.

Definimos al movimiento como todo cambio de posición de un cuerpo con respecto a otro u otros tomados como referencia. El movimiento presenta algunas características que debemos precisar:

Se llama posición al lugar en el que se encuentra el cuerpo en un sistema de referencia.

Se llaman coordenadas a las referencias de una posición en un sistema.

Se llama trayectoria al camino real seguido por el cuerpo en su movimiento.

Se llama distancia a la línea recta que une dos posiciones diferentes.

Se llama velocidad (v) a la magnitud física que expresa la distancia recorrida por un cuerpo en la unidad de tiempo. Esta velocidad puede considerarse de diferentes maneras como velocidad instantánea (v_i), velocidad media (v_m), velocidad inicial (v_o), velocidad final (v_f), velocidad actual (v), variación de velocidad (Δv) etc.

Se llama aceleración a la magnitud física que expresa la variación de la velocidad por unidad de tiempo.

Todas estas características y variable pueden relacionarse entre sí. Según las mismas el movimiento puede clasificarse de diferentes maneras:

Algunas de estas clases se reconocen fácilmente por su nombre pero otras quizás necesiten una breve definición. Por ejemplo puedes investigar las formas concretas de las diferentes curvar geométricas:

La rotación es el movimiento de un cuerpo en el cual todos sus puntos describen trayectorias circulares concéntricas a un punto o eje de rotación. Este centro puede estar dentro o fuera del cuerpo. Por ejemplo la Tierra rota sobre su propio eje, un caballo de calesita rota sobre el eje de la calesita.

La traslación es el movimiento de un cuerpo en el que al menos un segmento permanece paralelo a sí mismo durante toda la trayectoria. Debemos cuidarnos de no confundir un movimiento de rotación con eje exterior de un movimiento de traslación con trayectoria circular. Por ejemplo la Tierra se traslada alrededor del sol porque su eje permanece siempre paralelo a sí mismo. Si un cuerpo rota y se traslada a la vez se dice que  tiene un movimiento mixto.

La vibración es un movimiento rápido de vaivén, es a la vez oscilante y periódico. El movimiento armónico y el ondulatorio serán tema de otro capítulo.

Veremos algunos casos particulares como son el Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU) y el Movimiento Rectilíneo Uniformemente Variado (MRUV).

MOVIMIENTO RECTILÍNEO UNIFORME  (MRU):

Lo definimos como el movimiento de traslación de un cuerpo que recorre espacios iguales en tiempo iguales sobre una trayectoria recta. Se describe mediante dos leyes:

La primera ley sostiene que “la velocidad es constante”, lo que significa que la misma no modifica ni su módulo ni su dirección y sentido en toda la trayectoria. Si graficamos la velocidad en función del tiempo en un par de ejes cartesianos, la gráfica resultante será una recta horizontal.

La segunda ley sostiene el concepto que usamos para definir el MRU: “Los espacios recorridos son proporcionales a los tiempos empleados para recorrerlos”. En esta caso, la gráfica del espacio en función del tiempo será una recta oblicua cuya pendiente o tangente representará el valor de la velocidad según la escala de representación elegida.

En realidad una ley es consecuencia de la otra ya que la velocidad (v) se define como el cociente entre la distancia recorrida (x) y el tiempo empleado para recorrerla (t) y por lo tanto, si la distancia es proporcional al tiempo, su cociente debe necesariamente ser constante. Veamos un ejemplo concreto con unidades del S.I. en la siguiente tabla y gráfico:

Es muy raro que un cuerpo se mueva con estas características en nuestro entorno, ya quelas fuerzas gravitatorias y las de rozamiento no lo permiten. Sin embargo su estudio nos permite entender este y otros tipos de movimientos más complejos.

La velocidad es una magnitud vectorial cuya dirección y sentido coinciden con el del desplazamiento y su intensidad, el cociente entre el espacio recorrido y el tiempo, se expresa internacionalmente en metros/segundos (m/s) aunque es muy común que se la exprese en km/h (en los países anglosajones en millas/h). Como 1 km = 1000 m y 1 h = 3600 s, resulta que 1 km/h son 1000m/3600s. Es decir que siempre podremos reducir un valor en km/h a su equivalente internacional, el m/s, multiplicándolo por la fracción (10/36) o lo que es lo mismo dividiéndolo por 3,6.

Supongamos por ejemplo que un automóvil se desplaza por una calle recta con una velocidad constante de 72 km/h.
Su velocidad en unidades internacionales será:  72x(10/36) = 72/3,6 =20 m/s
Es decir que recorre 72 km en una hora o 10 m en 1 s.
Si queremos saber la distancia que recorre en 5 horas podremos calcular:
x=v.t à x = 72km/h x 5 h à  x = 360 km.
Si queremos saber la distancia que recorre en 20 segundos podremos calcular: 
x=v.t à x = 10m/s x 20s à x = 200 m.
Si queremos saber la distancia que recorre en 10 minutos podremos calcular: 
x=v.t à x = 10m/s x 600s à x = 6000 m.
Si queremos saber el tiempo que demora en recorrer 36 km podremos calcular: 
t=x/v à t = 36km/72(Km/h) à t= 0,5 h
Si queremos saber el tiempo que demora en recorrer 50 m podremos calcular: 
t=x/v à t = 50m/20(m/s) à t = 2,5 s.

Ahora piensa y resuelve: Si un avión vuela a 540 km /h: a) ¿Cuál es su velocidad en m/s?;  b) ¿Cuántos minutos demora en recorrer 90 km;  c) cuántos segundos demora en recorrer 1,5 km?.   d) ¿Qué distancia (km) recorre en 0.4 h.   e) ¿Cuántos metros recorre en 5 s?;   f) ¿Cuántos km recorre desde las 11:45 hs hasta las 12:04 hs?.

MOVIMIENTO RECTILÍNEO UNIFORMEMENTE VARIADO.

Lo definimos como el movimiento de traslación de un cuerpo sobre una trayectoria recta, cuya velocidad varía cantidades iguales en tiempos iguales. En este caso podemos establecer tres leyes relacionadas entre sí:

La primera ley sostiene que “la aceleración es constante”. Este concepto forma parte de la propia definición: si la aceleración fuera nula el movimiento sería uniforme y si fuera variable no sería uniformemente variado. Si graficamos la aceleración en función del tiempo, su gráfica será una recta horizontal.

La segunda ley establece que “la velocidad es proporcional al tiempo” Por eso el cociente entre la variación de la velocidad y el tiempo, que es la aceleración, da un valor constante. Si graficamos la velocidad en función del tiempo, el resultado será una recta oblicua cuya pendiente o tangente representa el valor de la aceleración según la escala gráfica. Si la aceleración es positiva, es decir que la velocidad aumenta progresivamente, la recta tendrá una pendiente positiva y si la aceleración es negativa, la velocidad disminuye progresivamente, la recta tendrá una pendiente negativa.

La tercera ley establece que “los espacios recorridos son proporcionales al cuadrado de los tiempos empleados para recorrerlos”. Esto se entiende porque al aumentar la velocidad, en un mismo tiempo el cuerpo recorre distancias cada vez mayores. Al graficar el espacio en función del tiempo, la figura resultante será una parábola: positiva, es decir con el vértice inferior cuando la aceleración es positiva; negativa, es decir con el vértice superior cuando la aceleración es negativa. Veamos un ejemplo concreto con unidades del S.I. en la siguiente tabla y gráfico:

Gráfico que representa la aceleración constante (1ra ley)

Gráfico que representa la velocidad proporcional al tiempo (2da ley)

Gráfico que representa el espacio en función del tiempo (3ra ley)

La aceleración es una magnitud vectorial cuya dirección y sentido coinciden siempre con la variación de velocidad (ΔV) y su intensidad puede calcularse por el cociente entre esta variación y el tiempo:

a= ΔV/t, es decir   a = (V-V_o)/t

En cuanto a sus unidades veremos solamente la utilizada internacionalmente que es
m/s² o  m.s^-2. 

Por este motivo, cualquier cálculo que realicemos debe iniciarse con todas la unidades en el S.I.

Por ejemplo: Un cuerpo que se encuentra en reposo acelera hasta alcanzar una velocidad de 90km/h a los 125 m.

Su velocidad inicial:  V_o =0

Su velocidad final:     V = 90 km/h = 25 m/s

Su velocidad promedio o media:
V_m = (0 + 25m/s)/2 = 12,5 m/s

El tiempo transcurrido:  
t = x/V_m  = (125m)/(12,5m/s) = 10s

La variación de velocidad:  
ΔV =V-V_o =25m/s – 0 =25m/s

La aceleración: 
a= ΔV/t = (25m/s)/10s  = 2,5m/s²

Veremos en clase otras relaciones matemáticas entre estas variables que facilitaran los cálculos.

Programas 2014

Ya se pueden ver en el blog "Programas" Los programas de alumnos regulares del Colegio Virué y del INSPS 2014

Algunas que otras preguntas sobre el Modelo Atómico

1) ¿Qué es un paradigma?

2) ¿Qué experiencia permitió sospechar que existían partículas más pequeñas que el átomo?

3) ¿Qué descubrimiento permitió sospechar que el átomo podría tener una estructura interna.

4) ¿Qué experiencia demostró la existencia del electrón?.

5) ¿Cómo se demostró que los Rayos Catódicos tienen masa?.

6) ¿Cómo se demostró que los R. Catódicos tienen carga negativa?.

7) ¿Quién midió la carga/masa del electrón?.

8) ¿Quién midió con precisión la carga del electrón?.

9) ¿Qué experiencia demostró la existencia del protón?.

10) ¿En qué se manifestaron las diferentes energías de los rayos canales?

11) ¿Qué partículas forman a los rayos canales?.

12) ¿Qué relación hay entre la masa del electrón y las del protón?.

13) ¿Qué significa la palabra protón?.

14) ¿Cómo imaginó Thompson al átomo?.                       

15) ¿Por qué es neutro un átomo?.

16) ¿Quién descubrió la radiactividad?.

17) ¿Cuántas clases de radiactividad se encontraron?.

18) ¿Qué es la radiación β?

19) ¿Qué es la radiación α?

20) ¿Cuál es la masa de los rayos γ?

21) ¿Qué ocurre con las partículas α en la experiencia de Rutherford? ¿Porqué?

22) ¿Por qué se desvían unas pocas partículas en la experiencia de Rutherford?.

23) ¿Cuál es la relación de tamaño entre un átomo y su núcleo?.

24) ¿Qué dudas quedaron en el modelo atómico de Rutherford?.

25) Según los conocimientos de la época de Rutherford, ¿Qué debería ocurrirle al electrón si girara alrededor del núcleo?.

26) ¿Qué es un espectro luminoso de bandas?

27) ¿Qué dice la Teoría Cuántica de Planck?.

28) ¿De qué depende la energía de un cuanto?.

29) ¿Qué característica del átomo determina Bohr a partir de la Teoría Cuántica?.

30) ¿En qué se basó Bohr para sostener la existencia de varios niveles de energía?.

31) ¿Qué característica asigna Bohr a los niveles de energía?.

32) ¿Qué le ocurre a un electrón que absorbe un cuanto de energía?.

33) ¿Qué ocurre cuando un electrón cae de un nivel a otro de menor energía?.

34) ¿Qué diferencia podremos observar entre dos cuantos emitidos por diferentes saltos electrónicos?.

35) ¿Quién descubrió al neutrón?.

36) ¿Quién descubrió las fuerzas nucleares?.

37) ¿En qué situación y por qué razón es estable un núcleo atómico?.

38) ¿Por qué el átomo pesa más que los protones que lo forman?.

39) ¿Qué tipo de carga eléctrica tiene el núcleo de un átomo?.

40) ¿Qué son los isótopos?.

41) ¿Qué es el Nro. atómico?.

42) ¿Qué es el Nro. másico?

43) ¿Qué es la Masa Atómica Relativa?.

44) ¿Cuántos niveles de energía puede tener un átomo?.

45) ¿Qué distingue a un nivel de energía de otro?.

46) ¿Qué distingue a un subnivel de energía de otro?.

47) ¿Cómo se designan los subniveles de energía atómicos?.

48) ¿Cuál es el máximo de electrones del último nivel?.

49) ¿Qué son los electrones químicos?.

50) ¿Qué distingue a un orbital de otro?.

51) ¿Cuántos electrones caben en un orbital?.

52) ¿Cómo definirías la probabilidad matemática?.

53) ¿Qué es el espín de una partícula?.

54) ¿Qué dice el principio de exclusión de Paulí?.

55) ¿Qué dice el principio de Incertidumbre de Heisemberg?.

56) ¿Qué son los Números Cuánticos?

57) ¿Qué nos indica el Nro. Cuántico secundario?

58) ¿Cómo se identifica al Nro. Cuántico Principal?

59) ¿Qué valores puede adoptar el Nro. Cuántico Magnético?

60) ¿Cuál es la masa real en gramos de cada partícula subatómica?.

http://fisicayquimica-norberto.blogspot.com.ar/2012/06/modelo-atomico.html

ENERGÍA: Mapa Conceptual

ENERGÍA: INTRODUCCIÓN

Como hemos visto, toda la realidad natural concreta puede ser clasificada en dos grandes grupos, lo material, tangible, que podemos tocar porque ocupa lugar y tiene inercia, y la energía, que no ocupa lugar ni tiene inercia sino que por el contrario es la responsable de todos los fenómenos que ocurren en el universo.

Por eso la definición más aproximada de energía la refiere como la causa de todos los cambios.

Debido a la enorme variedad de fenómenos que se producen en la naturaleza acostumbramos a distinguir diferentes tipos o clases de energía según el tipo de fenómenos que produzca. Así por ejemplo identificamos como energía mecánica: cinética o potencial, a la que produce cambios en el estado inercial de un cuerpo, es decir que es capaz de modificar su velocidad, posición o forma, de producir un trabajo mecánico, una deformación una rotura o un desgaste; la energía lumínica o luz en cambio no tiene ninguna relación con el movimiento ni las fuerzas, pero ilumina los objetos, nos permite verlos y además produce muchas reacciones químicas entre ellas la fotosíntesis que es fundamental para la existencia de la vida sobre al Tierra.

Cada una de las diferentes formas de energía tiene características específicas que nos permiten identificarlas, pero todas ellas tienen algunas propiedades que consideramos generales, como la conservación, la transformación, la transferencia y la degradación.

Si bien la palabra energía tiene un origen muy antiguo, en la cultura griega clásica, con el significado de “trabajando” o “actuando”, es en los últimos siglos, bajo el método científico cuando se logra identificar con mayor claridad este concepto, en especial con el surgimiento de la Termodinámica como una rama importante de la Física y el estudio del calor y el trabajo realizados por James Watt (primera máquina de vapor), Benjamín Thompson, Sadi Carnot (considerado el padre de la Temodinámica) y James Prescott Joule (en cuyo homenaje se nombraría más tarde a la unidad internacional de energía). En el siglo XIX aparecen las dos primeras leyes de la Termodinámica, propuestas por Carnot y que tienen relación directa con las propiedades generales de la energía que nombramos antes.

La primera ley, conocida como Principio de Conservación de la Energía tiene diferentes expresiones según el aspecto que se quiera resaltar pero siempre hace referencia a la conservación de la cantidad total de la energía: la energía no puede crearse ni destruirse o desaparecer, sólo se transforma de una clase en otra.

La segunda ley, conocida como Principio de Entropía, se refiere a la degradación de la energía. Establece que en todo proceso energético, una parte de la energía utilizada disminuye su capacidad para producir fenómenos, pierde su utilidad. Se define a la entropía como una medida del grado de desorden de un sistema y se sostiene que en todos los procesos naturales el flujo de la energía es tal que este desorden aumenta de manera irreversible y por eso no se pueden producir transformaciones de la energía en las cuales esta genere siempre la misma cantidad de trabajo. En un sistema aislado, la cantidad total de energía será siempre la misma, pero el desorden interno (entropía) aumentará con el tiempo de modo que dicha energía será cada vez menos útil hasta que todo el sistema alcance un equilibrio a partir del cual ya no se producirán más cambios.

Se considera que un sistema es conservativo cuando es capaz de transformar una clase de energía en otra sin degradarla, mientras que será disipativo si al producir la transformación la degrada o la irradia de modo irreversible. Por ejemplo el sistema solar es un sistema conservativo de la energía mecánica de los planetas y satélites que se mueven sin perder energía, pero el sol disipa enormes cantidades de energía luminosa y calórica que no se vuelven a recuperar. Un péndulo sin rozamiento, un resorte, un arco (de caza) u otros cuerpos elásticos pueden considerarse sistemas conservativos; un motor, una estufa, una lámpara son netamente sistemas disipativos.

Casi todas las formas de energía son capaces de transferirse de un cuerpo o sistema a otro. Esto puede realizarse de diferentes maneras: mediante la emisión y absorción de ondas o radiaciones electromagnéticas o por la interacción de fuerzas. Además estas fuerzas pueden actuar de dos maneras diferentes: mediante el contacto directo entre dos cuerpos o por acción a distancia en determinadas regiones del espacio a las que se denomina campos de fuerza o de energía. Estos procesos de transferencia también permiten distinguir a las diferentes formas de energía. Como podemos verlo en cuadro de la página siguiente.

La energía es además una magnitud, es decir que se puede medir, en algunos casos de manera directa con un instrumento adecuado y en otros mediante fórmulas de cálculos a partir de otras magnitudes; por esto se considera una magnitud derivada escalar. Existen instrumentos para medir la energía calórica (calorímetro), o la eléctrica (contador de energía colocado al ingreso de la instalación eléctrica de domicilios e industrias), etc. Pero cualquier clase de energía puede calcularse mediante una fórmula en relación con el fenómeno que produce. A lo largo del tiempo y en diferentes lugares se han usado distintas unidades para expresar la cantidad de energía, la más tradicional es tal vez el “ergio” cuyo nombre se refiere justamente al origen griego de la palabra energía, es una unidad muy pequeña que pertenece al sistema francés conocido como “cgs” que prácticamente ha caído en desuso, sustituido por el “MKS”, también francés, pero que se constituyó en el Sistema Internacional “SI” de unidades que utilizan casi todos los países del mundo. En este SI, la unidad de energía se denominó “joule” (J) en homenaje al científico James Prescott Joule mencionado antes. El joule se define como la cantidad de energía que se transfiere al aplicarle a un cuerpo una fuerza de 1 N (un newton) y desplazarlo una distancia de 1 m (un metro).

Según la clase de energía se suelen usar actualmente otras unidades. Por ejemplo, la energía calórica y la química se suelen expresar en calorías (cal) y kilocalorías (kcal). La caloría se define como la cantidad de calor necesario para hacer que un gramo (1 g) de agua pura eleve su temperatura un grado Celsius (1°C). 1 kcal equivale lógicamente a 1000 cal y en la información comercial suele confundirse con la caloría; así por ejemplo cuando se dice que una manzana tiene alrededor de 100 cal en realidad se refiere a 100 kcal, es decir 100000 cal. En el caso de la energía eléctrica, las empresas de distribución domiciliaria la comercializan en kilowatt-hora (kWh). Para compararlas debemos tener en cuenta estas equivalencias:

1 ergio = 1x10—7 J

1 cal = 4,186 J

1kWh = 3,6x106 J

Tomaremos como ejemplo estos dos casos: el funcionamiento de una lamparilla eléctrica y el contacto de dos cuerpos a diferente temperatura. En el primer caso, si tomamos una lámpara de 40 W, significa que la misma consume 40 J de energía por cada segundo de tiempo transcurrido en funcionamiento, su eficacia es bastante baja, esto significa que alrededor del 2% de la energía eléctrica consumida se transforma en luz, es decir unos 0,8 J. Pero el resto de la energía, unos 39,2 J no desaparece, ya que se conserva la cantidad total, sino que se transforma, en calor y otras radiaciones, por eso la lámpara se caliente mucho, pero ni la luz ni el calor se pueden volver a recuperar para producir otras transformaciones porque se disipan en el aire, es decir se degradan.

En el segundo ejemplo, si ponemos en contacto en un entorno aislado, dos cuerpos que estén a distinta temperatura, el cuerpo más caliente emitirá calor disminuyendo su temperatura y el más frío lo absorberá, amentando su temperatura, hasta que ambas temperaturas queden igualadas y se alcance el equilibrio térmico.

La cantidad total de energía se conserva pero uno emite y el otro absorbe con lo que la energía se transfiere y además se transforma la energía cinética de las partículas en calor.  Una vez alcanzado el equilibrio térmico, cesa la transferencia y con ella todo fenómeno asociado porque la energía se ha degradado.

Formas de transferencia	Clases de Energía	Fenómenos relacionados
Fuerzas de contacto	Mecánica: Cinética y potencial	Trabajo, aceleración, deformación, roturas, rozamiento, movimientos, choques, tensiones,
	Sonora	Ondas mecánicas, ultrasonido, audición, música, vibraciones…
Fuerzas a distancia	Gravitatoria	Atracción entre los cuerpos, Peso, caída de los cuerpos, movimiento de los astros, formación de galaxias y estrellas…
	Magnética	Atracción y repulsión entre imanes, magnetización, orientación de la brújula, auroras boreales, formación de moléculas…
	Eléctrica	Atracción y repulsión entre partículas o cuerpos eléctricos, descargas, chispas, rayos, electrización. Corriente eléctrica, formación de átomos y moléculas…
	Nuclear: Débil y fuerte	Formación del núcleo de los átomos y de las partículas elementales. Big Bang
Ondas o radiaciones electromagnéticas o Energía radiante	Ondas hercianas	Comunicaciones (radio, T.V. telefonía celular)
	Microondas	Comunicaciones, Wi-Fi, Bluetooth, calentamiento…
	Infrarrojo, calor	Radiación solar, cambios de temperatura, cambios de estado, mandos a distancia, alarmas, visores nocturnos, fibra óptica, efecto invernadero, calefactores, radiadores...
	Luz	Radiación solar, iluminación, fotosíntesis, fotografía, fibras ópticas, células fotoeléctricas
	Ultravioleta	Radiación solar, iluminación fluorescente, luz negra, sistemas de seguridad ópticos, esterilizaciones, capa de ozono, laser, análisis químico.
	Rayos X (Röntgen)	Radiografías, cristalografía, análisis de materiales.
	Rayos γ (gamma)	Radiaciones nucleares, energía nuclear, centrales nucleares, radioterapia, tomografía, centellografía, alteraciones genéticas…

Nos queda fuera del cuadro anterior la energía química, que comúnmente consideramos como otra forma de energía, potencial, almacenada en los átomos y moléculas de las sustancias, que no puede transferirse si no se transforma previamente en otra clase de energía como calor, luz o electricidad, pero que en definitiva está basada en las atracciones eléctricas y magnéticas entre los átomos y las moléculas y la energía cinética (térmica) propia del movimiento característico de estas partículas.

Hemos analizado diferentes aspectos de la energía, pasando por su conceptualización, características, historia, leyes, clasificación, transferencia, medición y unidades. Pero un párrafo aparte merece el tema de las fuentes de energía y la crisis energética actual.

Una fuente de energía es cualquier sistema natural o artificial a partir del cual podemos obtener cantidades de energía que nos permitan utilizarla de manera más o menos continuada. Habitualmente designamos como fuentes convencionales a aquellas que la sociedad utiliza desde hace ya mucho tiempo para obtener energía eléctrica, en especial los ríos (hidráulica), el uranio (nuclear de fisión) y los combustibles fósiles como el petróleo el carbón y el gas de yacimientos (química). El oposición a ellas, se denominan como fuentes alternativas a aquellas que aún no tienen un desarrollo tecnológico lo suficientemente importante y suelen usarse en menor proporción o en emprendimientos locales, como el viento (eólica), el sol (solar), las mareas (mareomotriz), el centro caliente de la Tierra (geotérmica), etc.

Algunas de estas fuentes, en especial las convencionales son altamente contaminantes, como los combustibles fósiles y el uranio, y también se agotan porque no se pueden renovar con la misma velocidad con la que se las explota. Por eso se busca que las fuentes alternativas sean no contaminantes y renovables.

En general se pueden clasificar las fuentes de energía y sus usos de la siguiente manera:

FUENTE PRIMARIA		FUENTE SECUNDARIA	FORMAS DE USO		CLASES DE ENERGÍA
			DIRECTA	PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD
					USADA	PRODUCIDA
S   O   L		VIENTOS	MOLINOS DE VIENTO		MECÁNICA
			GENERADORES EÓLICOS		MECÁNICA  ELÉCTRICA
			NAVEGACIÓN A VELA		MECÁNICA
		OLAS	GENERADOR ELÉCTRICO FLOTANTE		CINÉTICA     ELÉCTRICA
		GRADIENTE TÉRMICO	CENTRAL MAREOTÉRMICA		TÉRMICA    ELÉCTRICA
		RÍOS	MOLINOS DE AGUA		MECÁNICA
			CENTRAL HIDROELÉCTRICA		MECÁNICA  ELÉCTRICA
		CALOR Y LUZ SOLAR	CALEFONES SOLARES		CALÓRICA
			HORNOS SOLARES		CALÓRICA
			CENTRALES DE ESPEJOS		CALÓRICA   ELÉCTRICA
			CÉLULAS FOTOVOLTAICAS		LUMÍNICA  ELÉCTRICA
			CICLONES ARTIFICIALES		CALÓRICA   ELÉCTRICA
		ALIMENTOS	SERES VIVOS		QUÍMICA
		BIOMASA	COMBUSTIBLES		QUÍMICA      CALÓRICA
		MADERA Y COMBUSTIBLES FÓSILES	HORNOS Y CALEFACTORES		CALÓRICA
			MOTORES TÉRMICOS		CALÓRICA   MECÁNICA
			CENTRALES TÉRMICAS		CALÓRICA   ELÉCTRICA
INTERIOR TERRESTRE		ROCAS Y FUENTES CALIENTES	CENTRALES GEOTÉRMICAS		CALÓRICA   ELÉCTRICA
			CALEFACTORES		CALÓRICA
GRAVEDAD		MAREAS	CENTRAL MAREOMOTRIZ		CINÉTICA    ELÉCTRICA
MATERIA	NÚCLEO	FISIÓN	CENTRAL ATÓMICA O NUCLEOELÉCTRICA		NUCLEAR   ELÉCTRICA
		FUSIÓN	----PROYECTOS----		NUCLEAR   ELÉCTRICA
	SUSTANCIAS	HIDRÓGENO	COMBUSTIBLE		CALOR
			PILAS DE HIDRÓGENO		QUÍMICA     ELÉCTRICA
		POTENCIAL ELÉCTRICO	PILAS		QUIMICA     ELÉCTRICA
			ACUMULADORES		QUÍMICA     ELÉCTRICA

Está claro que la sociedad moderna hace un uso intensivo de la energía, con necesidad o sin ella, derrocha enormes cantidades en transporte, laboreo, iluminación, refrigeración etc. Muchos estudiosos estiman que si todos los países consumieran energía como lo hacen los países desarrollados, no nos alcanzarían 5 planetas Tierra para conseguir las fuentes necesarias. Por eso debemos inclinarnos muchos más hacia la frugalidad y el ahorro de energía en todo cuanto podamos que hacia la búsqueda de nuevas fuentes que a la larga también se terminarán agotando.