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PEAMS- Componente de Especialización “Taller- la Química a través de experimentos sin soporte de laboratorio y en laboratorios escolares”
(Documento de Trabajo)
CARPETA DE TRABAJO
TALLER – LA QUÍMICA A TRAVÉS DE
EXPERIMENTOS SIN SOPORTE DE
LABORATORIO Y EN LABORATORIOS
ESCOLARES
(Documento de Trabajo)
Carpetas de Formación Continua
(FE-FD)
Ámbito: Formación Especialidad Cuatrimestre: Tercero Especialidad: Ciencias Naturales: Física-Química
Bolivia – 2012
PEAMS- Componente de Especialización “Taller- la Química a través de experimentos sin soporte de laboratorio y en laboratorios escolares”
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MINISTERIO DE EDUCACIÓN
© De la presente edición: Colección: CARPETAS DE FORMACIÓN CONTINUA
TALLER - LA QUÍMICA A TRAVÉS DE EXPERIMENTOS SIN SOPORTE DE LABORATORIO Y EN LABORATORIOS ESCOLARES CARPETA DE TRABAJO Coordinación Vice ministerio de Educación Superior de Formación Profesional / Dirección General de Formación de Maestros / Equipo de Formación Docente Continua
Equipo de Redacción y Dirección Unidad Especializada de Formación Continua – UNEFCO Av. Víctor Paz Estensoro Nº 227 Tarija-Bolivia Telf.: 66-44416 Fax: 66-42805
www.minedu.gob.bo www.unefco.edu.bo
Cómo citar este documento: Ministerio de Educación (2011). Taller - la química a través de experimentos sin soporte de
laboratorio y en laboratorios escolares. Carpeta de Trabajo. UNEFCO. Tarija Diseño & Impresión
UNEFCO La venta de este documento está prohibida. Denuncie al vendedor a la Dirección General de Formación de Maestros, Telf. 2440815 o a la Unidad Especializada de Formación Continua, [email protected].
Bolivia, septiembre 2012
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PRESENTACIÓN El Ministerio de Educación, en el marco de la Constitución Política del Estado, la Ley de la Educación 070 ―Avelino Siñani - Elizardo Pérez‖ y el Sistema Plurinacional de Formación de Maestros, ha priorizado la implementación de acciones formativas para maestras/os normalistas del Nivel Secundario del Sistema Educativo Plurinacional, para mejorar la calidad de la educación en dicho nivel, que por mucho tiempo no se benefició con formación continua; en este sentido, el Programa de Especialización y Actualización de Maestros de Secundaria (PEAMS) ha sido estructurado con dos componentes: especialización y actualización.
La ―especialización‖ es una formación intensiva que tiene como objetivo el de ―Brindar formación especializada a maestras/os normalistas que habiendo sido formados para primaria o inicial ejercen como docentes en áreas del nivel de educación secundaria, mediante procesos de formación centrados en aspectos disciplinares y de didácticas específicas, tomando en cuenta las necesidades reales del Sistema Educativo Plurinacional así como las nuevas políticas sociales y educativas del país que prevén la universalización de la educación secundaria, con el fin de garantizar la solvencia profesional de estos maestros/as y la calidad de la educación de todos los estudiantes de este nivel‖.
Este componente es de régimen especial y transitorio. Los/as docentes que accedan a los cursos de especialización recibirán una certificación para el ejercicio de las especialidades del nivel secundario, según una normativa especial indicada en la Resolución Ministerial Nº 121/2010. El programa es financiado por el Ministerio de Educación y ejecutado por la Unidad Especializada de Formación Continua (UNEFCO), bajo la modalidad semipresencial.
El PEAMS, tiene previsto el desarrollo de materiales de apoyo en una Colección denominada ―Carpetas de Formación Continua‖, la misma que contempla una ―Carpeta de Trabajo‖ y un ―Cuadernillo de Actividades‖ para cada uno de los módulos de las 6 especialidades contempladas. Dicho material está organizado en unidades temáticas que siguen una secuencia sistemática para favorecer el proceso de aprendizaje de las/los participantes, cuyo contenido no sólo es un recurso para fortalecer conocimientos y orientaciones pedagógico-didácticas sino una forma de ampliar la conciencia sobre el mundo y la sociedad.
Sobre la base de estos Documentos de Trabajo (versiones en construcción colectiva), tutores/as del PEAMS podrán añadir y/o adecuar contenidos y estrategias formativas de acuerdo a cada contexto. Invitamos a tutores y participantes de todo el país a contribuir con observaciones y sugerencias para mejorar y enriquecer posteriores ediciones ([email protected]).
María Eugenia Hurtado. - Directora General a.i. UNEFCO
“Compromiso social y vocación de servicio: Maestras/os
forjadores de la Revolución Educativa”
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ÍNDICE GENERAL
Pág.
PRESENTACIÓN ÍNDICE GENERAL DATOS GENERALES DE LA CARPETA ......................................................................... 5 Introducción ...................................................................................................................... 5 Objetivos holístico de área/especialidad ............................................................................ 6 Objetivo holístico de la Carpeta ......................................................................................... 6 UNIDAD 1: INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DE LA QUÍMICA…….. ................................. 7 Objetivos de la unidad…. ................................................................................................... 7 1.1. El Átomo y la teoría atómica… .................................................................................... 7 1.2. Enlace químico… ...................................................................................................... 11 1.3. Nomenclatura de compuestos inorgánicos… ............................................................ 13 1.4. Química ambiental: contaminación del aire… ........................................................... 15 1.5. Bases de la estequiometría.. ..................................................................................... 16 1.6. Reacciones químicas.. .............................................................................................. 17 1.7. Estequiometría.. ........................................................................................................ 17 1.8. Taller con y sin soporte de laboratorio.. .................................................................... 22 Resumen de la unidad.. ................................................................................................... 23 Lecturas complementarias.. ............................................................................................. 23 UNIDAD 2: LEYES, PROPIEDADES Y PROCESOS QUÍMICOS… ................................ 24 Objetivos de la unidad… .................................................................................................. 24 2.1. Leyes de los Gases.. ................................................................................................ 24 2.2. Líquidos y Sólidos.. ................................................................................................... 27 2.2. Propiedades de los líquidos.. .................................................................................... 28 2.3. Química Ambiental: Contaminación del agua… ........................................................ 20 2.4. Disoluciones.. ........................................................................................................... 30 2.4. 1. El mol .. ................................................................................................................. 31 2.4.2. Masa atómica (m.a.).. ............................................................................................ 31 2.4.3. Masa molar (mm) .. ................................................................................................ 31 2.4.4. Porcentaje en masa (%m/m) .. ............................................................................... 32 2.4.5. Porcentaje en volumen (%m/m) .. .......................................................................... 32 2.4.6. Porcentaje masa en volumen (%m/v) .. .................................................................. 32 2.4.7. Molalidad (m) .. ...................................................................................................... 32 2.4.8. Molaridad (M) .. ...................................................................................................... 33 2.4.9. Solubilidad .. .......................................................................................................... 33 2.5. Termodinámica… ...................................................................................................... 33 2.5.1. Primera ley de la termodinámica … ....................................................................... 36 2.5.2. Segunda ley de la termodinámica … ...................................................................... 37 2.5.3. Tercera ley de la termodinámica … ........................................................................ 37 2.6. Cinética Química.. ..................................................................................................... 37 2.7. Equilibrio Químico… ................................................................................................. 38 2.8. Ácidos y Bases.. ....................................................................................................... 40 2.8.1. Propiedades de los ácidos .. .................................................................................. 40 2.8.2. Aplicaciones de los ácidos.. ................................................................................... 41
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2.8.3. Bases .. .................................................................................................................. 41 2.9. Taller con y sin soporte de laboratorio (1) .. .............................................................. 43 2.9. Taller con y sin soporte de laboratorio (2) .. .............................................................. 43 Resumen de la unidad.. ................................................................................................... 43 UNIDAD 3: DESARROLLO APLICATIVO DE LAS QUÍMICAS INORGÁNICAS Y
ORGÁNICAS… ............................................................................................ 44 Objetivos de la unidad… .................................................................................................. 44 3.1. Electroquímica… ....................................................................................................... 44 3.2. Contaminación del Suelo .. ....................................................................................... 44 3.3. Química Orgánica.. ................................................................................................... 49 3.4. Química orgánica como ciencia... ............................................................................. 49 3.5. Química orgánica en la industria… ........................................................................... 50 3.6. ¿Qué es la petroquímica?… ..................................................................................... 50 3.7. Las Vitaminas.. ......................................................................................................... 52 3.8. Antibióticos .. ............................................................................................................ 52 3.9. Estereoquímica.. ....................................................................................................... 52 3.10. Hidrocarburos saturados .. ...................................................................................... 53 3.11. Hidrocarburos no saturados .. ................................................................................. 57 3.12. Hidrocarburos aromáticos .. .................................................................................... 58 Resumen de la unidad… ................................................................................................. 59 UNIDAD 4: LA QUÍMICA ORGANICA EN EL MEDIO AMBIENTE Y LA VIDA.. ............. 60 Objetivos de la unidad… .................................................................................................. 60 4.1. Funciones Oxigenadas: Alcoholes… ......................................................................... 60 4.2. Aldehídos y Cetonas… ............................................................................................. 61 4.3. Ácidos Carboxílicos y Sus Derivados. Éteres… ........................................................ 62 4.4. Funciones Nitrogenadas: Aminas, Amidas, Imidas, Nitrilos y Carbilaminas… ........... 64 4.5. Nociones de Bioquímica… ........................................................................................ 65 4.6. Polímeros.. ................................................................................................................ 68 4.7. Evaluación del Impacto Ambiental… ......................................................................... 69 Resumen de la unidad… ................................................................................................. 73 Lecturas complementarias… ........................................................................................... 73 Glosario de términos… .................................................................................................... 73 Bibliografía… ................................................................................................................... 74
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DATOS GENERALES DE LA CARPETA
INTRODUCCIÓN
Esta carpeta reúne la temática principal referido al taller de química a través de experimentos sin y con soporte en laboratorios escolares y dirigido hacia una nueva perspectiva de la educación formadora de una sociedad consiente del enfoque de desarrollo en lo práctico cuya base fundamental de sostenibilidad es la práctica y la experimentación en laboratorios escolares.
El currículo de química priorizó el conocimiento teórico, mientras que la práctica y producción definitivamente no fueron tomadas en cuenta, es decir la enseñanza consistió en una especie de conocimiento literario. La Química se presentó principalmente como una especie de teorías, dejando de lado la práctica.
Además es necesario resaltar que, los libros de enseñanza científica con que cuenta el magisterio nacional no están acordes a la realidad vivencial ―Se debe replantear los planes educativos, para estar junto a las nuevas corrientes de las ciencias‖ y fundamentalmente valorizar los saberes y conocimientos de la comunidad. La química no solo es nomenclatura y estequiometria, sino que es también química tradicional autóctona y ésta se encuentra en la medicina tradicional, los alimentos, la nutrición, la química del campo.
La Química en el modelo Educativo Sociocomunitario Productivo al igual que Geografía, Física y Biología; están integradas en el área de saberes y conocimientos de Ciencias Naturales que conforman el campo Vida Tierra Territorio (VTT), articulando e interrelacionando, experiencias y prácticas intraculturales - interculturales y plurilingüe de la comunidad, a partir de la convivencia armónica y reciproca de los seres vivos entre la Madre Tierra y el Cosmos.
Los planes y programas de Química plantean valorizar los saberes y conocimientos de la comunidad para solucionar problemas de la vida, en la vida y para la vida; por ser experimental, es de aplicación de saberes y conocimientos tecnológicos en las áreas: agropecuaria, industrial, servicios, educación física y deportes, artística, comercial, turismo, salud y alimentación.
El currículo de Química en el modelo educativo sociocomunitario productivo, aporta:
- Al conocimiento investigativo, crítico, reflexivo y creativo, de los estudiantes, para la comprensión y producción intelectual tangible e intangible.
- Al espíritu emprendedor, desarrollador de manejo técnico - tecnológico generando procesos socioproductivos comunitarios.
- A la formación integral y holística del estudiante en los valores sociocomunitarios.
- En la sensibilidad y valoración a toda manifestación de vida, con sustentabilidad y complementariedad armónica con la Madre Tierra y el Cosmos.
- En los procesos de aprendizaje a partir de los saberes y conocimientos de la diversidad cultural de los pisos ecológicos de la región.
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En razón a ello la Química, se interrelaciona con otras áreas de saberes y conocimientos, articulando las prácticas ancestrales de los pueblos con la ciencia intra e intercultural y plurilingüe, concretados en contenidos curriculares y dinamizados por los ejes articuladores.
Finalmente, el proceso educativo de Química, debe superar el aprendizaje teórico desarrollado en ambientes físicos cerrados, priorizando la Práctica, Teoría, Valoración - Producción, alternando con talleres de discusión y reflexión, laboratorios de investigación y producción y resolución de problemas, centros de investigación y ambientes comunitarios virtuales para brindar a los estudiantes experiencias de aprendizaje con mayor objetividad y relación directa con la Madre Tierra y los medios de producción existentes en cada región de nuestro país, creando conciencia y así conservar el equilibrio armónico entre seres vivos, Madre Tierra y Cosmos.
OBJETIVO HOLÍSTICO DE ÁREA.
Fortalecemos la conciencia y la salud comunitaria en armonía con la Madre Tierra y el Cosmos, comprendiendo los saberes y conocimientos de la Química, sus fenómenos naturales de transformación, aplicando proyectos socioproductivos en la investigación que permitan conservar y preservar la naturaleza, para el manejo sostenible de las técnicas en procesos productivos a través de talleres con y sin soporte en laboratorios.
OBJETIVO HOLÍSTICO DE LA CARPETA.
Profundizamos en las bases teórico-prácticas del proceso de enseñanza-aprendizaje de la Química desarrollando los conocimientos y habilidades necesarias para mejorar nuestras prácticas pedagógicas y orientarlas hacia la investigación, bajo un enfoque de desarrollo de talleres con o sin soporte de laboratorio.
Caracterizamos las bases de la Química, y los talleres, reconocemos y analizamos el
flujo de la materia en los procesos químicos, valorando y diferenciando los recursos naturales mineralógicos y orgánicos del medio ambiente, identificando las prácticas para el manejo eficiente de los recursos naturales mineralógicos y orgánicos entre la sociedad y la naturaleza, de manera que sirvan como cimiento cognitivo que permite mejorar, nuestra práctica pedagógica de aula de manera objetiva y experimental.
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UNIDAD 1: INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DE LA QUÍMICA
OBJETIVOS DE LA UNIDAD
Rememoramos la importancia de la química en el desarrollo de la vida, aplicando el estudio de esta ciencia y las propiedades de la materia y energía a las actividades socioproductivas promoviendo la investigación, la experimentación para el desarrollo de la comunidad de manera consciente y racional en la base del vivir bien.
Reflexionamos sobre la importancia del átomo como el principio de vida en el cosmos, comprendiendo las diferentes combinaciones de los elementos existentes en él, así como sus relaciones cuantitativas para la correcta utilización de las mismas respetando la diversidad y el equilibrio armónico de la Madre Tierra.
1.1. EL ÁTOMO, Y LA TEORÍA ATÓMICA.
En química y física, átomo (del latín átomo, y éste del griego τομον, sin partes; también, se deriva de "a" (no) y "tomo" (divisible); no divisible) es la unidad más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades, y que no es posible dividir mediante procesos químicos. Su denso núcleo representan el 99.9% de la masa del átomo, y está compuesto de bariones llamados protones y neutrones, rodeados por una nube de electrones, que -en un átomo neutro- igualan el número de protones.
Historia de la teoría atómica.
El concepto de átomo existe desde la Antigua Grecia propuesto por los filósofos griegos Demócrito, Leucipo y Epicuro, sin embargo, no se generó el concepto por medio de la experimentación sino como una necesidad filosófica que explicara la realidad, ya que, como proponían estos pensadores, la materia no podía dividirse indefinidamente, por lo que debía existir una unidad o bloque indivisible e indestructible que al combinarse de diferentes formas creara todos los cuerpos macroscópicos que nos rodean. El siguiente avance significativo se realizó hasta en 1773 el químico francés Antoine-Laurent de Lavoisier postuló su enunciado: "La materia no se crea ni se destruye, simplemente se transforma."; demostrado más tarde por los experimentos del químico inglés John Dalton quien en 1804, luego de medir la masa de los reactivos y productos de una reacción, y concluyó que las sustancias están compuestas de átomos esféricos idénticos para cada elemento, pero diferentes de un elemento a otro.
Luego en 1811Amedeo Avogadro, físico italiano, postuló que a una temperatura, presión y volumen dados, un gas contiene siempre el mismo número de partículas, sean átomos o moléculas, independientemente de la naturaleza del gas, haciendo al mismo tiempo la hipótesis de que los gases son moléculas poliatómicas con lo que se comenzó a distinguir entre átomos y moléculas.
El químico ruso DmítriIvánovich Mendeléyev creó en 1869 una clasificación de los elementos químicos en orden creciente de su masa atómica, remarcando que existía una periodicidad
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en las propiedades químicas. Este trabajo fue el precursor de la tabla periódica de los elementos como la conocemos actualmente.
La visión moderna de su estructura interna tuvo que esperar hasta el experimento de Rutherford en 1911 y el modelo atómico de Bohr. Posteriores descubrimientos científicos, como la teoría cuántica, y avances tecnológicos, como el microscopio electrónico, han permitido conocer con mayor detalle las propiedades físicas y químicas de los átomos.
Evolución del modelo atómico.
La concepción del átomo que se ha tenido a lo largo de la historia ha variado de acuerdo a los descubrimientos realizados en el campo de la física y la química. A continuación se hará una exposición de los modelos atómicos propuestos por los científicos de diferentes épocas. Algunos de ellos son completamente obsoletos para explicar los fenómenos observados actualmente, pero se incluyen a manera de reseña histórica.
Modelo de Dalton.
Fue el primer modelo atómico con bases científicas, fue formulado en 1808 por John Dalton, quien imaginaba a los átomos como diminutas esferas. Este primer modelo atómico postulaba:
- La materia está formada por partículas muy pequeñas llamadas átomos, que son indivisibles y no se pueden destruir.
- Los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí, tienen su propio peso y cualidades propias. Los átomos de los diferentes elementos tienen pesos diferentes.
- Los átomos permanecen sin división, aun cuando se combinen en las reacciones químicas.
- Los átomos, al combinarse para formar compuestos guardan relaciones simples. - Los átomos de elementos diferentes se pueden combinar en proporciones distintas y
formar más de un compuesto. - Los compuestos químicos se forman al unirse átomos de dos o más elementos
distintos.
Sin embargo desapareció ante el modelo de Thomson ya que no explica los rayos catódicos, la radioactividad ni la presencia de los electrones (e-) o protones (p+)
Modelo de Thomson.
Luego del descubrimiento del electrón en 1897 por Joseph John Thomson, se determinó que la materia se componía de dos partes, una negativa y una positiva. La parte negativa estaba constituida por electrones, los cuales se encontraban según este modelo inmersos en una masa de carga positiva a manera de pasas en un pastel (de la analogía del inglés plum-pudding model) o uvas en gelatina. Posteriormente Jean Perrin propuso un modelo modificado a partir del de Thompson donde las "pasas" (electrones) se situaban en la parte exterior del "pastel" (la carga positiva).
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Detalles del modelo atómico.
Para explicar la formación de iones, positivos y negativos, y la presencia de los electrones dentro de la estructura atómica, Thomson ideó un átomo parecido a un pastel de frutas. Una nube positiva que contenía las pequeñas partículas negativas (los electrones) suspendidos en ella. El número de cargas negativas era el adecuado para neutralizar la carga positiva. En el caso de que el átomo perdiera un electrón, la estructura quedaría positiva; y si ganaba, la carga final sería negativa. De esta forma, explicaba la formación de iones; pero dejó sin explicación la existencia de las otras radiaciones.
Modelo de Rutherford.
Este modelo fue desarrollado por el físico Ernest Rutherford a partir de los resultados obtenidos en lo que hoy se conoce como el experimento de Rutherford en 1911. Representa un avance sobre el modelo de Thomson, ya que mantiene que el átomo se compone de una parte positiva y una negativa, sin embargo, a diferencia del anterior, postula que la parte positiva se concentra en un núcleo, el cual también contiene virtualmente toda la masa del átomo, mientras que los electrones se ubican en una corteza orbitando al núcleo en órbitas circulares o elípticas con un espacio vacío entre ellos. A pesar de ser un modelo obsoleto, es la percepción más común del átomo del público no científico.
Rutherford predijo la existencia del neutrón en el año 1920, por esa razón en el modelo anterior (Thomson), no se habla de éste.
Por desgracia, el modelo atómico de Rutherford presentaba varias incongruencias:
Contradecía las leyes del electromagnetismo de James Clerk Maxwell, las cuales estaban muy comprobadas mediante datos experimentales. Según las leyes de Maxwell, una carga eléctrica en movimiento (en este caso el electrón) debería emitir energía constantemente en forma de radiación y llegaría un momento en que el electrón caería sobre el núcleo y la materia se destruiría. Todo ocurriría muy brevemente.
No explicaba los espectros atómicos.
Modelo atómico de Thomson.
Modelo atómico de Rutherford
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Modelo de Bohr.
“El átomo es un pequeño sistema solar con un núcleo en el centro y electrones moviéndose alrededor del núcleo en órbitas bien definidas”. Las órbitas están cuantizadas (los e- pueden estar solo en ciertas órbitas)
Cada órbita tiene una energía asociada. La más externa es la de mayor energía.
Los electrones no radian energía (luz) mientras permanezcan en órbitas estables.
Los electrones pueden saltar de una a otra órbita. Si lo hace desde una de menor energía a una de mayor energía absorbe un cuanto de energía (una cantidad) igual a la diferencia de energía asociada a cada órbita. Si pasa de una de mayor a una de menor, pierde energía en forma de radiación (luz).
El mayor éxito de Bohr fue dar la explicación al espectro de emisión del hidrógeno. Pero sólo la luz de este elemento. Proporciona una base para el carácter cuántico de la luz, el fotón es emitido cuando un electrón cae de una órbita a otra, siendo un pulso de energía radiada.
Bohr no puede explicar la existencia de órbitas estables y para la condición de cuantización.
Bohr encontró que el momento angular del electrón es h/2π por un método que no puede justificar.
Modelo de Schrödinger.
Después de que Louis-Victor de Broglie propuso la naturaleza ondulatoria de la materia en 1924, la cual fue generalizada por Erwin Schrödinger en 1926, se actualizó nuevamente el modelo del átomo.
En el modelo de Schrödinger se abandona la concepción de los electrones como esferas diminutas con carga que giran en torno al núcleo, que es una extrapolación de la experiencia a nivel macroscópico hacia las diminutas dimensiones del átomo.
Modelo de Schrödinger.- Densidad de probabilidad de ubicación de un electrón para los primeros niveles de energía.
Modelo atómico de Bohr.- Este modelo es estrictamente un modelo del átomo de hidrógeno tomando como punto de partida el modelo de Rutherford, Niels Bohr trata de incorporar los fenómenos de absorción y emisión de los gases, así como la nueva teoría de la cuantización de la energía desarrollada por Max Planck y el fenómeno del efecto fotoeléctrico observado por Albert Einstein.
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En vez de esto, Schrödinger describe a los electrones por medio de una función de onda, el cuadrado de la cual representa la probabilidad de presencia en una región delimitada del espacio. Esta zona de probabilidad se conoce como orbital. La gráfica siguiente muestra los orbitales para los primeros niveles de energía disponibles en el átomo de hidrógeno.
1.2. ENLACE QUÍMICO
Un enlace químico es el proceso físico responsable de las interacciones atractivas entre átomos y moléculas, y que confiere estabilidad a los compuestos químicos diatómicos y poliatómicos. La explicación de tales fuerzas atractivas es un área compleja que está descrita por las leyes de la electrodinámica cuántica. Sin embargo, en la práctica, los químicos suelen apoyarse en la mecánica cuántica o en descripciones cualitativas que son menos rigurosas, pero más sencillas en su propia descripción del enlace químico. En general, el enlace químico fuerte está asociado con la compartición o transferencia de electrones entre los átomos participantes. Las moléculas, cristales, y gases diatómicos -o sea la mayor parte del ambiente físico que nos rodea- está unido por enlaces químicos, que determinan la estructura de la materia.
Los enlaces varían ampliamente en su fuerza. Generalmente, el enlace covalente y el enlace iónico suelen ser descritos como "fuertes", mientras que el enlace de hidrógeno y las fuerzas de Van der Waals son consideradas como "débiles".
Ejemplo de enlaces químicos entre carbono C, hidrógeno H, y oxígeno O, representados según la estructura de Lewis. Los diagramas de punto representaron un intento temprano de describir los enlaces químicos, y aún son ampliamente usados hoy en día.
Teniendo en cuenta que las cargas opuestas se atraen, porque al estar unidos, adquieren una situación más estable que cuando estaban separados. Esta situación de mayor estabilidad suele darse cuando el número de electrones que poseen los átomos en su último nivel es igual a ocho, estructura que coincide con la de los gases nobles, ya que los
Fig. xx Enlaces químicos entre C, H, y O, representados según la estructura de Lewis.
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electrones que orbitan el núcleo están cargados negativamente, y que los protones en el núcleo lo están positivamente, la configuración más estable del núcleo y los electrones es una en la que los electrones pasan la mayor parte del tiempo entre los núcleos, que en otro lugar del espacio. Estos electrones hacen que los núcleos se atraigan mutuamente.
En la visión simplificada del denominado enlace covalente, uno o más electrones (frecuentemente un par de electrones) son llevados al espacio entre los dos núcleos atómicos. Ahí, los electrones negativamente cargados son atraídos a las cargas positivas de ambos núcleos, en vez de sólo su propio núcleo. Esto vence a la repulsión entre los dos núcleos positivamente cargados de los dos átomos, y esta atracción tan grande mantiene a los dos núcleos en una configuración de equilibrio relativamente fija, aunque aún vibrarán en la posición de equilibrio. En un enlace covalente polar, uno o más electrones son compartidos inequitativamente entre dos núcleos.
En una visión simplificada de un enlace iónico, el electrón de enlace no es compartido, sino que es transferido. En este tipo de enlace, el orbital atómico más externo de un átomo tiene un lugar libre que permite la adición de uno o más electrones. Estos electrones recientemente agregados ocupan potencialmente un estado de menor energía (más cerca al núcleo debido a la alta carga nuclear efectiva) de lo que experimentan en un tipo diferente de átomo. En consecuencia, un núcleo ofrece una posición de más fuerte unión a un electrón de lo que lo hace el otro núcleo. Esta transferencia ocasiona que un átomo asuma una carga neta positiva, y que el otro asuma una carga neta negativa. Entonces, el enlace resulta de la atracción electrostática entre los átomos, y los átomos se constituyen en (iones) de carga positiva o negativa.
Todos los enlaces pueden ser explicados por la teoría cuántica, pero, en la práctica, algunas reglas de simplificación les permiten a los químicos predecir la fuerza de enlace, direccionalidad y polaridad (química) de los enlaces. La regla del octeto y la (TREPEV)teoría de repulsión de pares de electrones de la capa de valencia son dos ejemplos. Las teorías más sofisticadas, como la teoría del enlace de valencia, que incluye la hibridación de orbitales y la resonancia, y el método de combinación lineal de orbitales atómicos dentro de la teoría de los orbitales moleculares, que incluye a la teoría del campo de los ligantes. La electrostática es usada para describir polaridades de enlace y los efectos que ejerce en las sustancias químicas.
1.3. NOMENCLATURA DE COMPUESTOS INORGÁNICOS
Los compuestos inorgánicos se clasifican según la función química que contengan y por el número de elementos químicos que los forman, con reglas de nomenclatura particulares para cada grupo. Una función química es la tendencia de una sustancia a reaccionar de manera semejante en presencia de otra. Por ejemplo, los compuestos ácidos tienen propiedades características de la función ácido, debido a que todos ellos tienen el ion hidrógeno H+1; y las bases tienen propiedades características de este grupo debido al ion OH-1 presente en estas moléculas. Las principales funciones químicas son: óxidos, bases, ácidos y sales.
Se aceptan tres tipos de nomenclaturas para nombrar compuestos químicos inorgánicos:
Nomenclatura sistemática.
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También llamada nomenclatura por atomicidad o estequiométrica, es el sistema recomendado por la IUPAC. Se basa en nombrar a las sustancias usando prefijos numéricos griegos que indican la atomicidad de cada uno de los elementos presentes en cada molécula. La atomicidad indica el número de átomos de un mismo elemento en una molécula, como por ejemplo el agua con fórmula H2O, que significa que hay un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno presentes en cada molécula de este compuesto, aunque de manera más práctica, la atomicidad en una fórmula química también se refiere a la proporción de cada elemento en un cantidad determinada de sustancia.
Por ejemplo, CrBr3 = Tribromuro de cromo; CO = monóxido de carbono.
En casos en los que puede haber confusión con otros compuestos (sales dobles y
triples, oxisales y similares) se pueden emplear los prefijos bis-, tris-, tetras-, etc.
Ejemplo: Ca5F (PO4)3 = fluoruro tris (fosfato) de calcio, ya que si se usara el
término trifosfato se estaría hablando del anión trifosfato[P3O10]5-, en cuyo caso sería:
Ca8F (P3O10)3.
Nomenclatura Stock.
Este sistema de nomenclatura se basa en nombrar a los compuestos escribiendo al final del nombre con números romanos la valencia atómica del elemento con ―nombre específico‖ (valencia o número de oxidación, es el que indica el número de electrones que un átomo pone en juego en un enlace químico, un número positivo cuando tiende a ceder los electrones y un número negativo cuando tiende a ganar electrones). De forma general, bajo este sistema de nomenclatura, los compuestos se nombran de esta manera: nombre genérico + de + nombre del elemento específico + el No. de valencia. Normalmente, a menos que se haya simplificado la fórmula, la valencia puede verse en el subíndice del otro elemento (en compuestos binarios y ternarios). Los números de valencia normalmente se colocan como superíndices del átomo (elemento) en una fórmula molecular.
Ejemplo: Fe2+3S3
-2, sulfuro de hierro (III) [se ve la valencia III del hierro en el
subíndice o atomicidad del azufre].
Nomenclatura tradicional, clásica o funcional.
En este sistema de nomenclatura se indica la valencia del elemento de nombre específico con una serie de prefijos y sufijos. De manera general las reglas son:
Cuando el elemento sólo tiene una valencia, simplemente se coloca el nombre del elemento precedido de la sílaba ―de” y en algunos casos se puede optar a usar el sufijo –ico.
K2O1óxido de potasio u óxido potásico.
Cuando tiene dos valencias diferentes se usan los sufijos -oso e -ico.
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Cuando tiene tres distintas valencias se usan los prefijos y sufijos.
Cuando entre las valencias se encuentra el 7 se usan los prefijos y sufijos.
Ejemplo: Mn2+7O7
-2, óxido permangánico (ya que el manganeso tiene más de tres números de valencia y en este compuesto está trabajando con la valencia 7)
1.4. QUÍMICA AMBIENTAL: CONTAMINACIÓN DEL AIRE.
Al referirnos al aire y para poder hablar en forma más general nos referiremos al termino atmósfera, entendiéndola como la zona existente entre la superficie de la tierra y el espacio exterior, ya que en ella se desarrollan y habitan los seres vivos, se forman las nubes, existe la capa de ozono que es el escudo protector de la gran mayoría de los rayos solares que son dañinos para los seres vivos, como son los ultravioleta, los gamma, etc. De acuerdo con la altitud, composición, temperatura y otras características, la atmósfera que rodea a la Tierra y comprende las siguientes capas o regiones.
oso cuando el elemento usa la valencia menor: Fe
+2O
-2, hierro con la valencia +2, óxido ferroso.
ico cuando el elemento usa la valencia mayor: Fe2
+3O3
-2, hierro con valencia +3, óxido férrico
1.
hipo- … -oso (para la menor valencia) … -oso (para la valencia intermedia) … -ico (Para la mayor valencia)
hipo- … -oso (para las valencias 1 y 2) … -oso (para la valencias 3 y 4) … -ico (para la valencias 5 y 6) per- … -ico (para la valencia 7):
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Origen de la contaminación del aire “Es la que se produce como consecuencia de la emisión de sustancias tóxicas. La contaminación del aire puede causar trastornos tales como ardor en los ojos y en la nariz, irritación y picazón de la garganta y problemas respiratorios.
Bajo determinadas circunstancias, algunos gases químicos que se hallan en el aire contaminado pueden producir cáncer, malformaciones congénitas, daños cerebrales y trastornos del sistema nervioso, así como lesiones pulmonares y de las vías respiratorias. A determinado nivel de concentración y después de cierto tiempo de exposición, ciertos contaminantes del aire son sumamente peligrosos y pueden causar serios trastornos e incluso la muerte. La polución del aire también provoca daños en el medio ambiente, habiendo afectado la flora arbórea, la fauna y los lagos. La contaminación también ha reducido el espesor de la capa de ozono. Además, produce el deterioro de edificios, monumentos, estatuas y otras estructuras. La contaminación del aire también es causante de neblina, la cual reduce la visibilidad en los parques nacionales y otros lugares y, en ocasiones, constituye un obstáculo para la aviación. La composición de la atmósfera ha estado cambiando constantemente. Actualmente, nuestra atmósfera está constituida por 78 % de nitrógeno, 21 % de oxígeno y el 1 % restante está formado por pequeñas cantidades de otros gases, entre los cuales el dióxido de carbono es el más importante para la vida. Sin embargo, se supone que la atmósfera primitiva estaba formada por gases que escaparon del interior de la Tierra a causa de la actividad volcánica. Por consiguiente ésta atmósfera pudo haber contenido vapor de agua, dióxido de carbono, monóxido de carbono, nitrógeno, hidrógeno y posiblemente pequeñas cantidades de metano y amoníaco. Actualmente el metano es parte del gas de cocinar y el amoníaco es un gas que se utiliza para la fabricación de fertilizantes.
Smog.
Podemos entender como ―Smog‖ a la concentración de humo en la atmósfera, muchas veces combinado con niebla, el principal componente del humo de la niebla es CO2y CO, pero puede tener en suspensión diversas partículas principalmente de polvo. La contaminación por smog, regularmente afecta a las vías respiratorias de la población.
1.5. BASES DE LA ESTEQUIOMETRÍA
Al igual que lo que estamos mencionando podemos saber la cantidad de una sustancia basándose en su peso y su volumen. La unidad de medida que estaremos utilizando para sustancias químicas es el Mol, que bien pudiéramos definir como la suma total de las masas atómicas de una sustancia expresada en gramos, de tal manera que si tenemos al C2H8, podemos calcular a que equivale un mol, ya que de antemano sabemos que el C tiene masa atómica 12 y como son 2 entonces son 24 de carbono, el hidrógeno tiene masa atómica 1 y como son 12 entonces tenemos 12 de hidrógeno; si sumamos ambos pesos de los elementos entonces sabemos que un mol de C2H8 equivale a 38 gramos.
A manera de ejemplo calculemos a que peso equivale un mol de etanol (C2H7OH). Tenemos en total 2Carbonos, 8 hidrógenos y un Oxígeno. Las masas atómicas son: carbono 12, Hidrógeno 1 y oxigeno 16.
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Multiplicamos estas masas atómicas por el número de átomos de cada uno en la fórmula:
2 X 12 = 24 8 X 1 = 8 1 X 16 = 16.
Sumamos los resultados y los expresamos en gramos: 48 gramos. Este peso equivale a 1 mol de esta sustancia.
1.6. REACCIONES QUÍMICAS.
El tema de reacciones químicas es uno de los temas apasionantes, dentro de la química ya que se puede hacer muchos talleres, no necesita el soporte de un laboratorio.
Para ahorrar tiempo y trabajo, se utiliza mucho el papel indicador universal, que es un papel impregnado con una mezcla de indicadores y que adquiere un color distinto según los distintos pH.
Reacciones químicas. Por experiencia, sabemos que un trozo de hierro se oxidará si lo dejamos a la intemperie, y lo sabemos aunque no poseamos conocimientos de química. Lo que ocurre es una reacción química en la cual el hierro se combina con el oxígeno presente en el aire para formar una sustancia distinta a las originales, un óxido de hierro. El origen de una nueva sustancia, como el óxido de hierro en nuestro ejemplo, significa que ha ocurrido un reordenamiento de los electrones dentro de los átomos, y se han creado nuevos enlaces químicos. Estos enlaces químicos determinarán las propiedades de la nueva sustancia. La mayoría de los cambios químicos son irreversibles. Al quemar un trozo de madera ya no podremos volver a obtenerlo a partir de las sustancias en que se ha convertido: cenizas y gases. Sin embargo, hay otros cambios químicos en que la adición de otra sustancia provoca la obtención de la sustancia original y en ese caso se trata de un cambio químico reversible. Así, pues, para producir un cambio químico reversible hay que provocar otro cambio químico.
Fig. xx. Un clavo se oxida con el aire:
reacción química.
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Todo cambio químico involucra una reacción entre diferentes sustancias produciendo la formación de sustancias nuevas. Entonces, una reacción química es un proceso en que una o más sustancias se transforman en otra u otras sustancias de diferente naturaleza. La respiración de los animales y la digestión de los alimentos constituyen ejemplos importantes de reacciones químicas; por eso se dice que el cuerpo humano es como un laboratorio químico. El estudio metódico de las reacciones químicas ha permitido a los científicos transformar los productos naturales y obtener toda clase de sustancias, tales como: fibras sintéticas, plásticos, insecticidas y detergentes, todo ello tan útil en nuestra vida diaria.
Tipos de reacciones químicas. Es necesario reconocer, que una reacción química sólo puede corresponder a un fenómeno químico que se verifique en condiciones adecuadas; es decir, no se debe proponer una reacción química inventada o que no sea una reacción real. Sin embargo, no siempre es posible predecir, que si al poner en contacto ciertas sustancias, se llevará a cabo la reacción o cuáles serán los productos. Ahora bien, en miles de experimentos realizados en el mundo, debidamente repetidos y controlados en el laboratorio, las reacciones químicas se pueden clasificar en los siguientes tipos:
De síntesis o combinación
Es un fenómeno químico, y a partir de dos o más sustancias, se puede obtener otra (u otras) con propiedades diferentes. Para que tenga lugar, debemos agregar las sustancias a combinar en cantidades perfectamente definidas, y para producirse efectivamente la combinación se necesitará liberar o absorber calor (intercambio de energía). La combinación del hidrógeno y el oxígeno para producir agua y la del hidrógeno y nitrógeno para producir amoníaco son ejemplos:
2H2 + O2 —› 2H2 O formación de agua. 3H2 + N2 —› 2N H3 formación de amoníaco.
De descomposición.
Es un fenómeno químico, y a partir de una sustancia compuesta (formada por dos o más átomos), puedo obtener dos o más sustancias con diferentes propiedades.Ejemplos: al calentar óxido de mercurio, puedo obtener oxígeno y mercurio; se puede hacer reaccionar el dicromato de amonio para obtener nitrógeno, óxido crómico y agua.
Fig. xx. Manifestaciones de una reacción química.
Fig. xx. Agua: reacción química de síntesis.
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De sustitución o de reemplazo. En este caso un elemento sustituye a otro en un compuesto, ejemplos:
Zn + 2HCl ——› ZnCl2 + H2
Mg + H2 SO4 ——› Mg SO4 + H2
De doble sustitución o de intercambio
En este tipo de reacciones se intercambian los patrones de cada compuestos, ejemplo: 2 CuOH + H2SO4 ——› Cu2 SO4 + 2H2O
3BaCl2(ac) + Fe2(SO4)3 (ac) ——› 3BaSO4 + 2FeCl2 (ac)
Reactantes y productos. Para entenderlas y analizarlas, las reacciones químicas se representan, como ya vimos en los ejemplos anteriores, mediante ecuaciones químicas. Una ecuación química es la representación escrita de una reacción química. En toda reacción química debemos distinguir los reactantes y los productos. Los reactantes son sustancias que al combinarse entre ellas a través de un proceso llamado reacción química forman otras sustancias diferentes conocidas como productos de la reacción. En una ecuación química, los reactantes y productos se escriben, respectivamente, a la izquierda y a la derecha, separados mediante una flecha. El sentido de la flecha indica el transcurso de la reacción y debe leerse como: da origen a
Reactantes ——› dan origen a Productos Tomaremos como ejemplo el agua, las sustancias reactantes son el hidrógeno (cuya fórmula es H2) y el oxígeno (cuya fórmula es O2), al combinarlas se produce una reacción química y obtenemos como producto el agua: Dos moléculas de hidrógeno (2H2) reaccionan con una molécula de oxigeno (O2) para formar dos moléculas de agua (2H2O).
Reacción química aeróbica: Es un proceso que requiere de la presencia del oxígeno para llevar a cabo la producción de energía.
Reacción química anaeróbica: Es un proceso que a diferencia del aeróbico, se lleva a cabo en ausencia de oxígeno. Cuando hacemos ejercicio aeróbico (correr, nadar por tiempo prolongado, etc.) la energía la obtenemos por medio del oxígeno que respiramos. El oxígeno llega a las fibras musculares a través de la sangre, donde se produce una serie de reacciones químicas con los nutrientes que nos entregan los alimentos, produciéndose la energía.
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Cuando hacemos ejercicio anaeróbico (saltos, levantar pesas, carreras cortas y rápidas, etc.) necesitamos energía en un corto periodo de tiempo, y esta la obtenemos por medio de los hidratos de carbono y las grasas, que al descomponerse químicamente suministran la energía anaeróbica, llamada de esta manera porque toda esta reacción química se produce sin la presencia de oxígeno.
1.7. ESTEQUIOMETRÍA.
En química, la estequiometría (que en griego significa, ―elemento‖ y ―medida‖) es el cálculo de las relaciones cuantitativas entre los reactivos y productos en el transcurso de una reacción química. Estas relaciones se pueden deducir a partir de la teoría atómica, aunque históricamente se enunciaron sin hacer referencia a la composición de la materia, según distintas leyes y principios. El primero que enunció los principios de la estequiometria fue JeremiasBenjamin Richter (1762-1807), en 1792, quien describió la estequiometria de la siguiente manera: ―La estequiometria es la ciencia que mide las proporciones cuantitativas o relaciones de masa de los elementos químicos que están implicados‖. (En una reacción química)
Principio. Una reacción química se produce cuando hay una modificación en la identidad química de las sustancias intervinientes; esto significa que no es posible identificar a las mismas sustancias antes y después de producirse la reacción química, los reactivos se consumen para dar lugar a los productos. A escala microscópica una reacción química se produce por la colisión de las partículas que intervienen ya sean moléculas, átomos o iones, aunque puede producirse también por el choque de algunos átomos o moléculas con otros tipos de partículas, tales como electrones o fotones. Este choque provoca que las uniones que existían previamente entre los átomos se rompan y se facilite que se formen nuevas uniones. Es decir que, a escala atómica, es un reordenamiento de los enlaces entre los átomos que intervienen. Este reordenamiento se produce por desplazamientos de electrones: unos enlaces se rompen y otros se forman, sin embargo los átomos implicados no desaparecen, ni se crean nuevos átomos. Esto es lo que se conoce como ley de conservación de la masa, e implica los dos principios siguientes:
- El número total de átomos antes y después de la reacción química no cambia. - El número de átomos de cada tipo es igual antes y después de la reacción.
En el transcurso de las reacciones químicas las partículas subatómicas tampoco desaparecen, el número total de protones, neutrones y electrones permanece constante. Y como los protones tienen carga positiva y los electrones tienen carga negativa, la suma total de cargas no se modifica. Esto es especialmente importante tenerlo en cuenta para el caso de los electrones, ya que es posible que durante el transcurso de una reacción química salten de un átomo a otro o de una molécula a otra, pero el número total de electrones permanece constante. Esto que es una consecuencia natural de la ley de conservación de la masa se denomina ley de conservación de la carga e implica que:
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- La suma total de cargas antes y después de la reacción química permanece constante.
Las relaciones entre las cantidades de reactivos consumidos y productos formados dependen directamente de estas leyes de conservación, y por lo tanto pueden ser determinadas por una ecuación (igualdad matemática) que las describa. A esta igualdad se la denomina ecuación estequiométrica.
Ecuaciones químicas. Una ecuación química es una representación escrita de una reacción química. Se basa en el uso de símbolos químicos que identifican a los átomos que intervienen y como se encuentran agrupados antes y después de la reacción. Cada grupo de átomos se encuentra separado por símbolos (+) y representa a las moléculas que participan, cuenta además con una serie de números que indican la cantidad de átomos de cada tipo que las forman y la cantidad de moléculas que intervienen, y con una flecha que indica la situación inicial y la final de la reacción. Así por ejemplo en la reacción:
O2 + 2H2 ——› 2H2O Tenemos los grupos de átomos (moléculas) siguientes:
O2 H2 H2O El subíndice indica la atomicidad, es decir la cantidad de átomos que forma cada agrupación de átomos (molécula). Así el primer grupo, representa a una molécula que está formada por 2 átomos de oxígeno, el segundo a una molécula formada por 2 átomos de hidrógeno, y el tercero representa a un grupo de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, es decir a la molécula agua. Los números que van por delante, se llaman coeficientes e indican molecularidad, es decir la cantidad de cada tipo de moléculas que interviene. Así por ejemplo la expresión:
O2 Debe leerse como 1(O2) es decir, un grupo de moléculas de oxígeno. Y la expresión: 2H2O Debe leerse como 2(H2O), es decir dos grupos o moléculas, cada uno de los cuales
se encuentra formado por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Finalmente vemos que H2 y O2 se encuentran en la situación "antes de", es decir del lado de los reactivos y H2O se encuentra en la situación de "despues de", es decir del lado de los productos. La ecuación completa debería leerse así:
―Una molécula de oxígeno diatómico(O2) reacciona químicamente con dos moléculas de Hidrógeno diatómico (2H2) para formar dos moléculas de agua (2H2O)”
Balance de materia.
Se dice que una ecuación química se encuentra ajustada, equilibrada o balanceada cuando respeta la ley de conservación de la materia, según la cual la cantidad de átomos de cada elemento debe ser igual del lado de los reactivos (antes de la flecha) y en lado de los productos de la reacción (después de la flecha). Para balancear una ecuación, se deben ajustar los coeficientes, y no los subíndices. Esto es así porque cada tipo de molécula tiene
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siempre la misma composición, es decir se encuentra siempre formada por la misma cantidad de átomos, si modificamos los subíndices estamos nombrando a sustancias diferentes: H2O es agua común y corriente, pero H2O2 es peróxido de hidrógeno una sustancia química totalmente diferente. Al modificar los coeficientes sólo estamos diciendo que ponemos más o menos de tal o cual sustancia.
1.8. TALLER CON Y SIN SOPORTE DE LABORATORIO.
Realizar las reacciones químicas que se presentan a continuación, observando los cambios generados, para posteriormente deducir el tipo de reacción al cual pertenece. Colocar en un vidrio de reloj o tubo de ensayo sulfato de cobre, hidratarlo con algunas
gotas de agua y observar la reacción. Luego someter a calor con cuidado, observando nuevamente la reacción. En ambos procesos anotar lo observado. En el caso de no contar con tubos de ensayo en todos los casos se puede sustituir con frascos viales de las inyecciones de antibióticos, conseguidos en la posta de la comunidad y que son resistentes al calor.
Colocar en un frasco vial o tubo de ensayo una disolución acuosa de ácido clorhídrico (recordar la importancia de poner acido sobre agua y no viceversa para prepararla) y añadir un trozo de zinc, observar la reacción y anotar los cambios efectuados. En esta reacción se puede aprovechar y obtener el hidrógeno desprendido en otro tubo de ensayo y demostrar el carácter explosivo del hidrógeno, al poner una llama en la boca del tubo. (La explosión es a pequeña escala y no es peligrosa) Estas son solo algunas de muchas reacciones que se podrían sustentar aun sin materiales de laboratorio.
RESUMEN DE LA UNIDAD.
En la unidad estudiada, se hizo énfasis en los antecedentes históricos de la química, la concepción actual de la teoría atómica y modelos atómicos que repercuten en el medio ambiente. Entre ellos se citan los modelos de Ruthenford y otros, las reacciones químicas que existen sus características, los enlaces químicos formas, tipos, las reacciones químicas que se presentan su clasificación y caracterización la influencia que estos ocasionan en el medio ambiente especialmente en la contaminación del aire por la emanación de gases tóxicos de las industrias y otras fuentes de emanación que perjudican hábitat de los seres vivos y moldean la transformación de los recursos no vivos. Por otra parte en la unidad se explica sobre el efecto de contaminación ambiental y el efecto que tiene sobre la salud de los seres vivos, la flora y fauna, Y en la última parte de la unidad, se presenta las bases de la estequiometria sus características y su formulación como las relaciones químicas que están presentan.Reconociendo de esta manera la capacidad comprensiva sobre la importancia de la química en el desarrollo de la vida, aplicando el estudio de esta ciencia, para vivir bien, Fortaleciendo la capacidad reflexiva sobre la importancia del átomo como principio de vida en el cosmos, con la utilización de la ciencia y la tecnología en complementariedad con la comunidad aplicando a las sustancias que más aportan en las actividades procesos productivos para uso equilibrado y armónico con la diversidad y la Madre Tierra. LECTURAS COMPLEMENTARIAS. Organización Mundial de la Salud (5/9/2005). “Chernóbil: la verdadera escala del accidente‖ (en español). Consultado el 13/08/2010.
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UNIDAD 2: LEYES, PROPIEDADES Y PROCESOS QUÍMICOS
OBJETIVOS DE LA UNIDAD
Reafirmamos lo conocimientos de las leyes, propiedades y procesos químicos, para el análisis de los mismos en nuestra región o comunidad, observando su aporte en el impacto medioambiental y en el desarrollo de la región.
Desarrollamos la capacidad de utilización de las técnicas y tecnología en armonía con la Madre Tierra y el Cosmos, analizando las propiedades de los estados de la materia, trabajando en talleres, en aula abierta y visitando centros e instituciones donde se aplican los principios de la química para identificar y aplicar nuevas formas de producción con mayor rendimiento y efectividad sin afectar a la región.
2.1. LEYES DE LOS GASES
La determinación de una ecuación de estado de los gases implica inevitablemente la medición de la presión, o fuerza por unidad de área, que un gas ejerce sobre las paredes del recipiente que lo contiene. La presión de los gases comúnmente se expresa en atmósferas o milímetros de mercurio.
El estudio sistemático del comportamiento de los gases le interesó a los científicos durante siglos. Destacan los nombres de varios investigadores que establecieron las propiedades de los gases.
Ley De Boyle
La relación matemática que existe entre la presión y el volumen de un cantidad dad de un gas a una cierta temperatura fue descubierta por Robert Boyle en 1662. Boyle encerró una cantidad de aire en el extremo cerrado de un tubo en forma de U, utilizando mercurio como fluido de retención. Boyle descubrió que el producto de la presión por volumen de una cantidad fija de gas era un valor aproximadamente constante. Notó que si la presión de aire se duplica, su volumen era la mitad del volumen anterior y si la presión se triplicaba el volumen bajaba a una tercera mitad del inicial. También observó que al calentar un gas aumentaba su volumen si la presión se mantenía constante, a este proceso se le llama proceso isobárico.
Hoy, después de numerosas confirmaciones del trabajo de Boyle y experimentos adicionales, la relación entre el volumen y la presión de un gas se conoce como Ley de Boyle. Si aumenta la presión de un gas, el volumen disminuye proporcionalmente; por lo tanto, si la presión disminuye, el volumen aumenta. Si dos cantidades son inversamente proporcionales, cuando una aumenta la otra disminuye. Ejemplo: piense en un globo inflado, cuando oprimimos el globo (aumenta la presión) el volumen disminuye; al soltarlo (disminuye la presión) el volumen aumenta.
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Ley de Boyle:
“El volumen de un gas, a temperatura constante, es inversamente proporcional a la presión”.
Ley De Charles: En 1787, Jacques Charles investigó la relación existente entre el volumen y la temperatura de ungas a presión constante. Al conservar la presión constante, el volumen aumenta y cuando la temperatura disminuye, el volumen también disminuye. Luego, había una proporcionalidad lineal directa entre el volumen y la temperatura, la cual se conoce como Ley de Charles. Ejemplo: un globo lleno aumenta su volumen cuando se le caliente y lo disminuye cuando se le enfría. “El volumen de un gas a presión constante es directamente proporcional a la temperatura kelvin”.
Ley de las Presiones Parciales de Dalton: Cuando Dalton formuló por primera vez su teoría atómica poco había elaborado la teoría acerca de la vaporización del agua y el comportamiento de mezclas gaseosas. A partir de sus mediciones dedujo que: ―dos gases en una mezcla actuaban de manera mutuamente independiente‖. Por ejemplo si se colocan tres gases en un recipiente de determinado volumen V, se puede considerar que cada uno de los gases ocupa todo el volumen. Es decir, si el gas está cerrado, las moléculas del gas debido a su rápido movimiento de azar y ese tamaño tan pequeño, ocuparán todo el recipiente. Luego, cada uno de los tres gases forman la mezcla tendrá el volumen V. Ahora, si temperatura del recipiente tuviera un valor constante T, cada uno de los gases tendría esta temperatura. Si estudiamos cada uno de estos gases en forma separada, la contribución a la presión de cada componente está directamente relacionada con el número de moles del componente y con la razón a la que las partículas chocan con las paredes del recipiente. Dado que cada componente tiene el mismo volumen y temperatura, las diferencias entre las presiones que ejercen, se deberá a los distintos números de moles. La presión que ejerce un componente determinado de la mezcla de gases si éste ocupara por sí solo el recipiente, se llama presión parcial del componente. Las presiones parciales se calculan aplicando la ley de los gases ideales a cada componente. Así la presión parcial, Pc, para una componente consistente en nc moles está dada por la expresión:
Se puede calcular la presión parcial de cada componente, si se conoce el número de moles de cada uno en la mezcla encerrada en un volumen determinado, a una temperatura dada. Debido a que las partículas de cada gas componente se conducen en forma independiente, la presión total que ejerza la mezcla será un resultado de todas las partículas. Establece que la presión total de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones parciales de los gases individuales.
Pt = pa + pb + pc +...
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Está relación se conoce como Ley de las Presiones Parciales de Dalton e indica que la presión total de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones parciales de los componentes de la mezcla. La ley de Dalton es muy útil cuando deseamos determinar la relación que existe entre las presiones parciales y la presión total de una mezcla de gases.
Ley de Gay-Lussac: Cuando se investiga experimentalmente como depende entre sí el volumen y la temperatura de un gas a una presión fija, se encuentra que el volumen aumenta linealmente al aumentar la temperatura. Esta relación se conoce como Ley de Charles y Gay-Lussac, y se puede expresar algebraicamente por:
V = V0 (1 + t) Donde V0es el volumen que a la temperatura de 0 ºC, "es una constante que tiene aproximadamente el valor 1/273 para todos los gases y t es la temperatura en la escala Celsius. Esta ecuación establece que el volumen de un gas aumenta linealmente al aumentar su temperatura.
Ley de Charles y Gay Lussac
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Ley de las Presiones Parciales de Dalton:
2.2. LÍQUIDOS Y SÓLIDOS.
Comparación entre las propiedades de sólidos, líquidos y gases. Fuerzas - Orden – Distancias – Propiedades
- Gas Despreciables frente Continuo Largas, Volúmenes variables, fluidos, a la agitación térmica movimiento al azar desiguales bajas densidades, se difunden con rapidez.
- Líquido Intermedias Semiorden Cortas, Volúmenes fijos, fluidos, desiguales altas densidades, se difunden a través de otros líquidos.
- Sólido Grandes frente Elevado orden Cortas, Volúmenes fijos, no fluidos, a la agitación térmica iguales altas densidades, se difunden muy lentamente a través de otros sólidos.
Fuerzas entre moléculas e iones. Las moléculas pueden atraerse entre sí mediante fuerzas relativamente débiles que se conocen con el nombre genérico de fuerzas de Van der Waals. A continuación se citan los tipos más importantes. Se incluye también la fuerza ión–dipolo, que es una fuerza de atracción entre un ión y una molécula.
- Fuerzas dipolo–dipolo. Las fuerzas dipolo–dipolo son atracciones entre los dipolos eléctricos de moléculas polares.
- Fuerzas dipolo–dipolo inducido. Las fuerzas dipolo–dipolo inducido se dan entre una molécula polar y otra no polar. La molécula polar induce un dipolo en la no polar.
- Fuerzas de dispersión o de London. Son atracciones que se dan entre cualquier tipo de moléculas debido a los dipolos instantáneos que se forman producidos por las fluctuaciones en la densidad electrónica que rodea a los átomos. Las fuerzas de London dependen de la forma de la molécula. Para moléculas de forma semejante, crecen con la masa molecular y con la polarizabilidad ya que esos dos factores facilitan la fluctuación de los electrones.
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- El enlace de hidrógeno. Es una interacción primordialmente de tipo dipolo–dipolo especialmente fuerte, que se da entre un átomo de hidrógeno con carga parcial positiva y un átomo electronegativo pequeño (normalmente N, OoF). La presencia de enlace de hidrogeno en el H2O, NH3 y HF, justifica las anormalidades encontradas en sus puntos de fusión Es también el responsable de la alta capacidad calorífica molar del agua líquida, así como de sus elevados calores de vaporización y de fusión.
Propiedades de los líquidos.
- Viscosidad. La fluidez de un líquido es tanto mayor cuanto menor es su viscosidad. La viscosidad aumenta con las fuerzas intermoleculares.
- Tensión superficial. Las moléculas en la superficie del líquido están menos atraídas por las fuerzas intermoleculares, por lo que prefieren situarse en el interior La tensión superficial mide la energía necesaria para ampliar la superficie de un líquido.
- Acción capilar. Las fuerzas que mantienen unido al líquido se denominan fuerzas de cohesión. Las fuerzas de atracción entre un líquido y otra superficie se denominan fuerzas de adhesión. Las diferencias de magnitud entre ambas fuerzas son las responsables del menisco producido por un líquido en un recipiente y de la acción capilar.
2.3. QUÍMICA AMBIENTAL: CONTAMINACIÓN DEL AGUA
Principales contaminantes de las aguas
Cuando la cantidad de contaminantes es excesiva, la autodepuración resulta imposible. Los mares son un sumidero. De forma constante, grandes cantidades de fangos y otros materiales, arrastrados desde tierra, se vierten en los océanos. Hoy en día, sin embargo, a los aportes naturales se añaden cantidades cada vez mayores de desechos generados por nuestras sociedades, especialmente aguas residuales cargadas de contaminantes químicos y de productos de desecho procedentes de la industria, la agricultura y la actividad doméstica, pero también de residuos radiactivos y de otros tipos. La contaminación tiende a concentrarse en los lugares próximos a las zonas habitadas e industrializadas. Así, la contaminación marina de origen atmosférico es, en determinadas zonas adyacentes a Europa (Báltico, mar del Norte, Mediterráneo), por término general, diez veces mayor que mar adentro, en el propio Atlántico
Fig. xx. Contaminación sólida.- Se
entiende por contaminación del medio
hídrico o contaminación del agua a la
acción o al efecto de introducir algún
material o inducir condiciones sobre el
agua que, de modo directo o indirecto,
impliquen una alteración perjudicial de su
calidad en relación a sus usos posteriores
o sus servicios ambientales.
Fig. xx. Espuma sobre el agua Según la OMS (Organización Mundial de la Salud) el agua está contaminada cuando su composición se haya alterado de modo que no reúna las condiciones necesarias para ser utilizada. En los cursos de agua, los microorganismos descomponedores mantienen siempre igual el nivel de concentración de las diferentes sustancias que puedan estar disueltas en el medio. Este proceso se denomina auto depuración del agua.
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norte; cien veces superior que en el Pacífico norte y mil veces más elevada que en el Pacífico sur.
Contaminación por consumismo Pero, quizás el mayor problema esté unido al consumismo, cada vez hay más objetos que están fabricados para durar unos años y después ser sustituidos por otros, lo que se denomina obsolescencia programada. Muchos productos, como los ordenadores, electrodomésticos, etc., están diseñados para ser usados y luego desechados, y el caso es que tampoco hay una conciencia clara, en muchos casos, de qué hacer con ellos. Esta economía basada en la máxima producción, el consumo, la explotación ilimitada de recursos y el beneficio como único criterio de la buena marcha económica, es insostenible.
Contaminación por fitosanitarios. EL uso de plaguicidas desde medios aéreos puede llegar a contaminar las aguas de la zona al ser arrastrados por el viento. En principio, estos productos son sustancias poco solubles, fácilmente degradables y se absorben fuertemente por el suelo, lo que limita su afección a los acuíferos. Pero si se da la circunstancia de que alcancen a las aguas subterráneas, los procesos de degradación y retención de los contaminantes se ralentizan notablemente y los efectos pueden ser muy graves.
Medidas para evitar la contaminación por fitosanitarios. Practicar la agricultura ecológica:
La agricultura ecológica basa el control de las plagas y enfermedades en conseguir un equilibrio en la parcela que impida la proliferación de los patógenos a niveles que causen daños. Se procura la mayor diversidad posible, se potencia la presencia de enemigos naturales de las plagas, se realizan asociaciones y rotaciones de cultivos y se selecciona las variedades más rústicas y adaptadas a la zona. Cuando es necesario realizar algún tratamiento se emplean productos naturales que resulten inocuos tanto para el medio ambiente como para la salud de las personas y se degradan rápidamente en sustancias que no presentan ningún riesgo.
Emplear métodos de control biológicos físicos y culturales: Actualmente existen en el mercado diversos tipos de trampas con las que capturar las plagas, medida que en algunos casos puede ser suficiente. En otros casos el control de una plaga puede realizarse a través de labores culturales como el laboreo, el riego o la poda.
Mantener los equipos de tratamiento limpios y en buen estado, ser prudentes durante el transporte, llenado y limpieza de los equipos y extremar las precauciones al tratar cerca de ríos y lagos, pues si hace viento este puede arrastrar parte del producto llevándolo hasta los cauces de agua.
Las mareas negras y los vertederos de petróleo. Las mareas negras son recubrimientos erráticos de hidrocarburos en la superficie del océano, producidos por el vertido accidental de petróleo o gasolíferos desde barcos transportadores o instalaciones petroleras, que provocan la contaminación de aguas y playas. Anualmente más de 3 millones y medio de gramos de petróleo (casi el 100% de la producción mundial) contaminan el medio marino. En realidad, solamente alrededor del 50% de este crudo procede de petroleros, a menudo barcos pequeños y anticuados. El resto, proviene de tierra firme. Esta última mitad llega al mar a través de las aguas y vertidos residuales (un 20% de origen urbano, otro 20% industrial y a través de la atmósfera el 10% restante).
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Aguas residuales. El agua residual, de muchas personas de pocos recursos se ven obligadas a vivir en condiciones precarias e inadecuadas a orillas de ríos y/o cañadas; donde tienen servicios de agua potable, pero no tienen servicios de depósitos de aguas negras. Esas aguas residuales están compuestas de detergentes, agua caliente, grasas, materiales espumosas, etc. Y van directamente a los ríos y/o cañadas. Alrededor de un 74% de las aguas residuales producidas por la gente, ya sea de los hogares como de los establecimientos comerciales, van al río o barrancas, sin antes ser tratadas con el proceso biológico.El ser humano la consume y se producen las enfermedades. También se sabe que los productos más problemáticos son los insecticidas organoclorados y organofosforados y los herbicidas del grupo de las triazinas (atrazina, desmetrina, simazina, terbutrina) Algunos de los metabolitos, o productos resultantes de la descomposición, de los fitosanitarios son tanto o más tóxicos que la sustancia original. El paraoxon es un metabolito del insecticida paratión que aumenta la inhibición del enzimacolinesterasa (sistema nervioso), el diazoxon se produce a partir del insecticida diazinon.
2.4. DISOLUCIONES. Las Disoluciones constituyen mezclas en las que debe existir una sustancia que se disuelva y otra que disuelva a la anterior. La sustancia que se disuelve se conoce con el nombre de soluto, mientras la que disuelve al soluto es denominada solvente o disolvente. Lo más importante es que para que la mezcla sea una solución, debe ser homogénea, es decir, la composición debe ser igual en cada una de sus partes.
Las soluciones pueden estar en los tres estados de la materia:
Sólidas, donde un ejemplo son las aleaciones. Líquidas, en este caso, el solvente debe ser líquido pero el soluto puede estar en
cualquiera de los tres estados. En el agua de mar, el soluto (cloruro de sodio) está en el estado sólido; un licor, el soluto (etanol) está en el estado líquido y finalmente en la soda, el soluto está en estado gaseoso (anhídrido carbónico).
Gaseosas, soluto y solvente son gases, por ejemplo el aire cordillerano.
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Según cuál sea la composición de la solución, se podrá distinguir una solución concentrada (que contiene mucho soluto formando parte de la solución), de una solución diluida (que contiene poco soluto en solución). Estos términos son cualitativos y en química es necesario que se conozcan exactamente las cantidades que existen en la mezcla, es decir, una magnitud cuantitativa.
Algunas magnitudes cuantitativas que sirven para calcular la composición de una solución son las siguientes:
El mol. Un mol, es una unidad y equivale a 6,02 x 1023 entidades elementales, que pueden ser átomos, moléculas u otras partículas. Este número se denomina número de Avogadro. Así por ejemplo: Un mol de átomos de N contiene 6,02 x 1023 átomos de nitrógeno. Un mol de moléculas de H2O contiene 6,02 x 1023 moléculas de agua. Para calcular los moles se usa la siguiente fórmula:
Masa atómica(m.a.) Corresponde a la masa de 1 mol de átomos de un elemento o de 6,02 x 1023 átomos de un elemento, medidas en gramos. Ejemplo: La masa atómica del H es 1,008 g/mol, esto significa que: la masa de 1 mol de átomos de H contiene 6,02 x 1023 átomos de H y su masa es de 1,008 g. Las masas atómicas, en general, aparecen en las tablas periódicas con el inadecuado nombre de peso atómico.
Masa molar(mm) La masa molar corresponde a la masa de 1 mol de moléculas o de 6,02 x 1023 moléculas, medidas en gramos. La masa molar o molecular o peso molecular de un compuesto se obtiene sumando ponderadamente las masas atómicas de los elementos que conforman el compuesto. Por ejemplo calcular la masa molar del H2O (masa atómica H = 1 g/mol, O = 16 g/mol)
mmH2O = 2 x m.a. (H) + 1x m.a. (O) = 2 x 1 + 1 x16
= 2 + 16 mmH2O = 18 g/mol Por lo tanto, la masa de 1 mol de H2O o de 6,02 x 1023 moléculas de H2O es de 18 g. Para expresar la composición de la solución se utilizan unidades como: porcentaje en masa (%m/m), porcentaje masa – volumen (% m/v), porcentaje Volumen – volumen (% v/v),molalidad(m) y molaridad (M).
Porcentaje en masa (%m/m) Corresponde a la relación porcentual entre la masa del soluto disuelto y la masa de la disolución expresada en gramos.
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Porcentaje en volumen (%v/v) Indica la relación porcentual del volumen del soluto disuelto respecto al volumen de la disolución expresadas ambas en mililitros.
Porcentaje masa en volumen (٪m/v) Corresponde a la relación porcentual entre la masa del soluto (en gramos) y el volumen de la disolución (mililitros)
Molalidad (m) La molalidad se define como el número de moles de soluto por cada Kilogramo de solvente.La fórmula general es:
Molaridad (M) La molaridad se define como el número de moles de soluto que se encuentra disueltos en un litro de solución. La fórmula general es:
Una propiedad intensiva importante de las sustancias es la densidad, que se define como la cantidad de masa en una unidad de volumen, por lo que permite conocer la masa de un volumen determinado de sustancia y viceversa. La fórmula general es:
Solubilidad. La solubilidad corresponde a la cantidad máxima de soluto que a una temperatura dada, se disuelve en una determinada cantidad de solvente.
Tabla de solubilidades de algunos sólidos en H2O a 20ºC
KNO3 316 g/l.
NaCl 360 g/l.
Urea 1000 g/l.
CuSO4 207 g/l.
PbCl2 9,9 g/l.
La tabla nos presenta diferentes solubilidades de soluto en H2O, así por ejemplo, si observamos el valor de la solubilidad de la urea, significa que podemos disolver 1000 g. de este soluto en 1 L de H2O a 20ºC, obtendremos así una solución saturada, esto quiere decir que la solución no puede aceptar más soluto a esa temperatura, si se agrega una cantidad mayor de soluto, esta no se disolverá y nos quedará una solución sobresaturada. En general una solución sobresaturada es aquella que contiene más soluto que su solubilidad y una solución insaturada es aquella que contiene menos soluto que su solubilidad.
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2.5. TERMODINÁMICA.
La termodinámica (del griegoθερμo-, termo, que significa "calor"1 y δύναμις, dínamis, que significa "fuerza") es la rama de la física que describe los estados de equilibrio a nivel macroscópico.Constituye una teoría fenomenológica, a partir de razonamientos deductivos, que estudia sistemas reales, sin modelizar y sigue un método experimental. Los estados de equilibrio son estudiados y definidos por medio de magnitudes extensivas tales como la energía interna, la entropía, el volumen o la composición molar del sistema, o por medio de magnitudes no-extensivas derivadas de las anteriores como la temperatura, presión y el potencial químico; otras magnitudes tales como la imanación, la fuerza electromotriz y las asociadas con la mecánica de los medios continuos en general también pueden ser tratadas por medio de la Termodinámica.
La Termodinámica permite estudiar los procesos de intercambio de masa y energía térmica entre sistemas térmicos diferentes. Para tener un mayor manejo se especifica que calor significa "energía en tránsito" y dinámica se refiere al "movimiento", por lo que, en esencia, la termodinámica estudia la circulación de la energía y cómo la energía infunde movimiento. Históricamente, la termodinámica se desarrolló a partir de la necesidad de aumentar la eficiencia de las primeras máquinas de vapor.
Fig.xx. Sistema termodinámico El trabajo se extrae en este caso por una serie de pistones.
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Es importante recalcar que la Termodinámica ofrece un aparato formal aplicable únicamente a estados de equilibrio, definidos como aquél estado hacia "el que todo sistema tiende a evolucionar y caracterizado porque en el mismo todas las propiedades del sistema quedan determinadas por factores intrínsecos y no por influencias externas previamente aplicadas".Como ciencia fenomenológica, la termodinámica no se ocupa de ofrecer una interpretación física de sus magnitudes. La primera de ellas, la energía interna, se acepta como una manifestación macroscópica de las leyes de conservación de la energía a nivel microscópico, que permite caracterizar el estado energético del sistema macroscópico. El punto de partida para la mayor parte de las consideraciones termodinámicas son los principios de la termodinámica, que postulan que la energía puede ser intercambiada entre sistemas en forma de calor o trabajo, y que sólo puede hacerse de una determinada manera. También se introduce una magnitud llamada entropía, que se define como aquella función extensiva de la energía interna, el volumen y la composición molar que toma valores máximos en equilibrio: el principio de maximización de la entropía define el sentido en el que el sistema evoluciona de un estado de equilibrio a otro.Es la Mecánica Estadística, íntimamente relacionada con la Termodinámica, la que ofrece una interpretación física de ambas magnitudes: la energía interna se identifica con la suma de las energías individuales de los átomos y moléculas del sistema, y la entropía mide el grado de orden y el estado dinámico de los sistemas, y tiene una conexión muy fuerte con la teoría de información. En la termodinámica se estudian y clasifican las interacciones entre diversos sistemas, lo que lleva a definir conceptos como sistema termodinámico y su contorno. Un sistema termodinámico se caracteriza por sus propiedades, relacionadas entre sí mediante las ecuaciones de estado. Éstas se pueden combinar para expresar la energía interna y los potenciales termodinámicos, útiles para determinar las condiciones de equilibrio entre sistemas y los procesos espontáneos.
Con estas herramientas, la termodinámica describe cómo los sistemas responden a los cambios en su entorno. Esto se puede aplicar a una amplia variedad de temas de ciencia e ingeniería, tales como motores, transiciones de fase, reacciones químicas, fenómenos de transporte, e incluso agujeros negros. Los resultados de la termodinámica son esenciales para la química, la física, la ingeniería química, etc., por nombrar algunos.
Leyes de la termodinámica.
Principio cero de la termodinámica.
Este principio establece que existe una determinada propiedad, denominada temperatura empírica, que es común para todos los estados de equilibrio termodinámico que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado. Tiene tremenda importancia experimental ―pues permite construir instrumentos que midan la temperatura de un sistema‖ pero no resulta tan importante en el marco teórico de la termodinámica.
El equilibrio termodinámico de un sistema se define como la condición del mismo en el cual las variables empíricas usadas para definir o dar a conocer un estado del sistema (presión, volumen, campo eléctrico, polarización, magnetización, tensión lineal, tensión superficial, coordenadas en el plano x, y) no son dependientes del tiempo. El tiempo es un parámetro cinético, asociado a nivel microscópico; el cual a su vez está dentro de la física - química y no es parámetro debido a que a la termodinámica sólo le interesa trabajar con un tiempo
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inicial y otro final. A dichas variables empíricas (experimentales) de un sistema se las conoce como coordenadas térmicas y dinámicas del sistema.
Este principio fundamental, aun siendo ampliamente aceptado, no fue formulado formalmente hasta después de haberse enunciado las otras tres leyes. De ahí que recibiese el nombre de principio cero.
Primera ley de la termodinámica.
También conocida como principio de conservación de la energía para la termodinámica ―en realidad el primer principio dice más que una ley de conservación‖, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará. Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna. Fue propuesta por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824, en su obra “Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia”, en la que expuso los dos primeros principios de la termodinámica. Esta obra fue incomprendida por los científicos de su época, y más tarde fue utilizada por Rudolf Loreto Clausius y Lord Kelvin para formular, de una manera matemática, las bases de la termodinámica.
La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente:
Que aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico, queda de la forma:
Donde U es la energía interna del sistema (aislado), Q es la cantidad de calor aportado al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema.
Esta última expresión es igual de frecuente encontrarla en la forma Ambas expresiones, aparentemente contradictorias, son correctas y su diferencia está en que se aplique el convenio de signos IUPAC o el Tradicional.
Segunda ley de la termodinámica.
Esta ley arrebata la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en el agua pueda volver a concentrarse en un pequeño volumen) También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas. De esta forma, la segunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a
Fig. xx. Ilustración de la segunda ley mediante una máquina térmica.
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cabo teniendo en cuenta sólo el Primer Principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud física llamada entropía, de tal manera que, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser mayor que cero.
Debido a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura, hasta lograr un equilibrio térmico.
La aplicación más conocida es la de las máquinas térmicas, que obtienen trabajo mecánico mediante aporte de calor de una fuente o foco caliente, para ceder parte de este calor a la fuente o foco o sumidero frío. La diferencia entre los dos calores tiene su equivalente en el trabajo mecánico obtenido.
Existen numerosos enunciados equivalentes para definir este principio, destacándose el de Clausius y el de Kelvin.
Tercera ley de la termodinámica.
La Tercera de las leyes de la termodinámica, propuesta por Walther Nernst, afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos. Puede formularse también como que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un valor constante específico. La entropía de los sólidos cristalinos puros puede considerarse cero bajo temperaturas iguales al cero absoluto. No es una noción exigida por la Termodinámica clásica, así que es probablemente inapropiado tratarlo de ―ley‖.
Es importante recordar que los principios o leyes de la Termodinámica son sólo generalizaciones estadísticas, válidas siempre para los sistemas macroscópicos, pero inaplicables a nivel cuántico. El demonio de Maxwell ejemplifica cómo puede concebirse un sistema cuántico que rompa las leyes de la Termodinámica.
Asimismo, cabe destacar que el primer principio, el de conservación de la energía, es la más sólida y universal de las leyes de la naturaleza descubiertas hasta ahora por las ciencias.
2.6. CINÉTICA QUÍMICA La cinética química es un área de la fisicoquímica que se encarga del estudio de la rapidez de reacción, cómo cambia la rapidez de reacción bajo condiciones variables y qué eventos moleculares se efectúan mediante la reacción general (Difusión, ciencia de superficies, catálisis). La cinética química es un estudio puramente empírico y experimental; la química cuántica permite indagar en las mecánicas de reacción, lo que se conoce como dinámica química. Cinética de Reacciones.
El objeto de la cinética química es medir las velocidades de las reacciones químicas y encontrar ecuaciones que relacionen la velocidad de una reacción con variables experimentales.
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Se encuentra experimentalmente que la velocidad de una reacción depende mayormente de la temperatura y las concentraciones de las especies involucradas en la reacción. En las reacciones simples, sólo la concentración de los reactivos afecta la velocidad de reacción, pero en reacciones más complejas la velocidad también puede depender de la concentración de uno o más productos. La presencia de un catalizador también afecta la velocidad de reacción; en este caso puede aumentar su velocidad. Del estudio de la velocidad de una reacción y su dependencia con todos estos factores se puede saber mucho acerca de los pasos en detalle para ir de reactivos a productos. Esto último es el mecanismo de reacción. Las reacciones se pueden clasificar cinéticamente en homogéneas y heterogéneas. La primera ocurre en una fase y la segunda en más de una fase. La reacción heterogénea depende del área de una superficie ya sea la de las paredes del vaso o de un catalizadorsólido. En este capítulo se discuten reacciones homogéneas.
Factores que afectan a la velocidad de las reacciones.
Existen varios factores que afectan la rapidez de una reacción química: la concentración de los reactivos, la temperatura, la existencia de catalizadores y la superficie de contactos tanto de los reactivos como del catalizador. Los catalizadores pueden aumentar o disminuir la velocidad de reacción.
2.7. EQUILIBRIO QUÍMICO. El equilibrio químico es un estado del sistema en el que no se observan cambios a medida que transcurre el tiempo. Así pues, si tenemos un equilibrio de la forma:
aA + b B= c C + d D Se define la constante de equilibrio Kc como el producto de las concentraciones en el equilibrio de los productos elevadas a sus respectivos coeficientes estequiométricos, dividido por el producto de las concentraciones de los reactivos en el equilibrio elevadas a sus respectivos coeficientes estequiométricos, para cada temperatura.
Efecto de un cambio de las condiciones de equilibrio.
Existen diversos factores capaces de modificar el estado de equilibrio en un proceso químico, como son la temperatura, la presión, y el efecto de la concentración. La influencia de estos tres factores se puede predecir, de una manera cualitativa por el Principio de Le Chatelier, que dice lo siguiente: si en un sistema en equilibrio se modifica alguno de los factores que influyen en el mismo (temperatura, presión o concentración), el sistema evoluciona de forma que se desplaza en el sentido que tienda a contrarrestar dicha variación.
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Efecto de la temperatura: si una vez alcanzado el equilibrio, se aumenta la temperatura, el equilibrio se opone a dicho aumento desplazándose en el sentido en el que la reacción absorbe calor, es decir, sea endotérmica.
Efecto de la presión: si aumenta la presión se desplazará hacia donde existan menor número de moles gaseosos, para así contrarrestar el efecto de disminución de V, y viceversa.
Efecto de las concentraciones: un aumento de la concentración de uno de los reactivos, hace que el equilibrio se desplace hacia la formación de productos, y a la inversa en el caso de que se disminuya dicha concentración. Y un aumento en la concentración de los productos hace que el equilibrio se desplace hacia la formación de reactivos, y viceversa en el caso de que se disminuya.
Para proceder a relacionar la Kc y la Kp debemos relacionar previamente las concentraciones de las especies en equilibrio con sus presiones parciales. Según la ecuación general de los gases perfectos, la presión parcial de un gas en la mezcla, vale:
Una vez que hemos relacionados las concentraciones con las presiones parciales de cada especie, se calcula la dependencia entre ambas concentraciones, simplemente llevando estos resultados a la constante Kc. De esta manera llegamos a la expresión:
Donde la An es la suma de los moles estequiométricos de todos los productos en estado gaseoso menos la suma de todos los moles de reactivos también gaseosos. Un sistema en equilibrio dinámico, es aquel en el que la reacción directa y la inversa, ocurren a la misma velocidad. El sistema en equilibrio, puede ser descrito a través de la constante Kc. Si la constante es muy grande, la reacción directa se producirá casi exhaustivamente, mientras que la inversa no ocurre de forma apreciable. Si la constante es muy pequeña, la reacción que domina es la inversa. Si un sistema en equilibrio, es perturbado en su posición de equilibrio, se produce o bien la reacción directa o la inversa, con objeto de restablecer el equilibrio. Se puede utilizar el Principio de Le Châtelier para predecir de qué forma evolucionará el equilibrio sometido a una perturbación.
Una disminución del volumen: hace que se produzca la reacción de modo que decrezca, el nº de moles de gas en el sistema.
Un aumento de la temperatura: Hace que se produzca la reacción endotérmica. La constante de equilibrio se puede relacionar con la energía Libre de Gibbs a través de la ecuación:
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2.8. ÁCIDOS Y BASES.
Un ácido (del latínacidus, que significa agrio) es considerado tradicionalmente como cualquier compuesto químico que, cuando se disuelve en agua, produce una solución con una actividad de catión hidronio mayor que el agua pura, esto es, un pH menor que 7. Esto se aproxima a la definición moderna de Johannes Nicolaus Brønsted y Martin Lowry, quienes definieron independientemente un ácido como un compuesto que dona un catión hidrógeno(H+) a otro compuesto (denominado base). Algunos ejemplos comunes incluyen al ácido acético (en el vinagre), y al ácido sulfúrico (usado en baterías de automóvil). Los sistemas ácido/base se diferencian de las reacciones redox en las cuales no hay un cambio en el estado de oxidación. Los ácidos pueden existir en forma de sólidos, líquidos o gases, dependiendo de la temperatura. También pueden existir como sustancias puras o en solución. A las sustancias químicas que tienen la propiedad de un ácido se les denomina ácidas.
Propiedades de los ácidos.
1. Tienen sabor ácido como en el caso del ácido cítrico en la naranja y el limón. 2. Cambian el color del papel tornasol azul a rosado, el anaranjado de metilo de
anaranjado a rojo y deja incolora a la fenolftaleína. 3. Son corrosivos. 4. Producen quemaduras de la piel. 5. Son buenos conductores de electricidad en disoluciones acuosas. 6. Reaccionan con metales activos formando una sal e hidrógeno. 7. Reaccionan con bases para formar una sal más agua. 8. Reaccionan con óxidos metálicos para formar una sal más agua.
Aplicaciones de los ácidos.
Los ácidos son usados frecuentemente para eliminar herrumbre y otra corrosión de los metales en un proceso conocido como pickling. Pueden ser usados también como electrólitos en una batería, como el ácido sulfúrico en una batería de automóvil. Los ácidos fuertes, el ácido sulfúrico en particular, son ampliamente usados en procesamiento de minerales. Por ejemplo, los minerales de fosfato reaccionan con ácido sulfúrico produciendo ácido fosfórico para la producción de fertilizantes, y el zinc es producido disolviendo óxido de zinc en ácido sulfúrico, purificando la solución y aplicando electrólisis.
En la industria química, los ácidos reaccionan en las reacciones de neutralización para producir sales. Por ejemplo, el ácido nítrico reacciona con el amoníaco para producir nitrato de amonio, un fertilizante. Adicionalmente, los ácidos carboxílicos pueden ser esterificados con alcoholes en presencia de ácido sulfúrico, para producir ésteres. Los ácidos son usados como catalizadores; por ejemplo, el ácido sulfúrico es usado en grandes cantidades en el
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proceso de alquilación para producir gasolina. Los ácidos fuertes, como el ácido sulfúrico, fosfórico y clorhídrico, también tienen efecto en reacciones de deshidratación y condensación. Los ácidos son usados también como aditivos en bebidas y alimentos, puesto que alteran su sabor y sirven como preservantes. Por ejemplo, el ácido fosfórico es un componente de las bebidas con cola.
Abundancia biológica. Muchas moléculas biológicamente importantes son ácidos. Los ácidos nucleicos, incluyendo al ADN y el ARN contienen el código genético que determina mucho de las características de un organismo, y es transferido de padres a vástagos. El ADN contiene el molde químico para la síntesis de las proteínas, que están hechas de subunidades de aminoácidos.
Bases.
Una base es, en primera aproximación (según Arrhenius), cualquier sustancia que en disolución acuosa aporta iones OH− al medio. Un ejemplo claro es el hidróxido potásico, de fórmula KOH:
Los conceptos de base y ácido son contrapuestos. Para medir la basicidad de un medio acuoso se utiliza el concepto de pOH, que se complementa con el de pH, de forma tal que
Por este motivo, está generalizado el uso de pH tanto para ácidos como para bases.
Distintas definiciones de base.
La definición inicial corresponde a la formulada en 1887 por SvanteAugust Arrhenius.
La teoría de Bronsted y Lowry de ácidos y bases, formulada en 1923, dice que “una base es aquella sustancia capaz de aceptar un protón”(H+). Esta definición engloba la anterior: en el ejemplo anterior, el KOH al disociarse en disolución da iones OH−, que son los que actúan como base al poder aceptar un protón. Esta teoría también se puede aplicar en disolventes no acuosos.
Lewis en 1923 amplió aún más la definición de ácidos y bases, aunque esta teoría no tendría repercusión hasta años más tarde. Según la teoría de Lewis una base es aquella sustancia que puede donar un par de electrones. El ion OH−, al igual que otros iones o moléculas como el NH3, H2O, etc., tienen un par de electrones no enlazantes, por lo que son bases. Todas las bases según la teoría de Arrhenius o la de Bronsted y Lowry son a su vez bases de Lewis.
- Ejemplos de bases de Arrehnius: NaOH, KOH, Al(OH)3.
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- Ejemplos de bases de Bronsted y Lowry: NH3, S2−, HS−.
Propiedades de las bases.- Finalmente, según Boyle, bases son aquellas sustancias que presentan las siguientes propiedades:
- Poseen un sabor amargo característico. - Sus disoluciones conducen la corriente eléctrica. - Azulean el papel de tornasol. - Reaccionan con los ácidos (neutralizándolos). - La mayoría son irritantes para la piel. - Tienen un tacto jabonoso. - Se pueden disolver. - Sus átomos se rompen con facilidad. - Son inflamables.
Ejemplos de bases: Soda cáustica(NaOH);Leche de magnesia(Mg(OH)2); El cloro de piscina (hipoclorito de sodio); Antiácidos en general; Productos de limpieza; Amoníaco(NH3); Jabón y detergente. Experimentos: En los gases, pequeñas experiencias aportan grandemente a la comprensión del tema. 1. La ley de Boyle es fácil de comprobar. Llene de aire una jeringa, retire la aguja y tape
con un dedo el extremo opuesto al émbolo, ejerza presión sobre el émbolo y vera como el volumen disminuye cuanta más presión se ejerce.
2. Para la ley de Charles, infle unos globos y deje alguno durante algunas horas en la heladera y otros someta a la acción del calor y observe lo ocurrido.
3. Pesar 0,5 gramos de hojuelas de hidróxido de sodio y realizar la disolución acuosa en presencia de algunas gotas de indicador fenolftaleína.
- Proceder al cálculo de la molaridad de dicha solución, aplicando las fórmulas correspondientes.
- Se puede organizar al curso por grupos y dar diferentes sustancias para el cálculo. - Si no se cuenta con la balanza correspondiente se toma el sobre entero del reactivo
que vine pesado en 5, 10 o 30g. - Se puede determinar la densidad de un aceite - Medir un volumen determinado de aceite en un vaso de precipitación o en una jeringa
y luego pesarlo, posteriormente se calcula la densidad mediante la fórmula. - Se recogen los datos de cada alumno, se establece un promedio de la densidad con
los cálculos individuales.
RESUMEN DE LA UNIDAD. En esta segunda Unidad reconocemos las leyes de los gases, sus propiedades, características, formulación, sin dejar de analizar el enfoque del proceso químico. Dentro de los líquidos y sólidos explicamos las formas de asociación atómica. Describimos los factores que afectan a la contaminación del agua desde diversos puntos de vista y enfoques. Conceptualizamos a las disoluciones, su formulación y sus reglas como leyes. Se caracterizó a la termodinámica, sus leyes y su aplicación en diferentes circunstancias, posteriormente se dio una amplia descripción de la cinética química las reacciones la velocidad de las mismas en diferentes medios. Hasta llegar al punto del equilibrio químico donde se nombró algunas características para llegar al equilibrio químico de los diferentes compuestos tanto
El jabón es una base
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inorgánicos como orgánicos y finalmente se dio ejemplos concretos y claros de ácidos como también de bases químicas como también sus características y propiedades.
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UNIDAD 3: DESARROLLO APLICATIVO DE LAS QUÍMICAS INORGÁNICAS Y ORGÁNICAS
OBJETIVOS DE LA UNIDAD
Desarrollamos la aprehensión de conocimientos ancestrales socioculturales en la producción, adquiriendo conocimientos para cuantificar los procesos químicos a través de talleres, prácticas y visitas de campo para promover el desarrollo de la comunidad y de las regiones en armonía con las leyes naturales de la Madre Tierra y el Cosmos.
Promovemos la capacidad de Interpretar los conceptos relacionados con los procesos químicos, desarrollando talleres de análisis y discusión, en centros y campos de aplicación productiva con los recursos de la Madre Tierra y las sustancias vitales a través del uso de tecnologías intra e interculturales garantizando la sustentabilidad en los centros comunales para que futuras generaciones vivan bien.
3.1. ELECTROQUÍMICA.
La Electroquímica es una rama de la química que estudia la transformación entre la energía eléctrica y la energía química. En otras palabras, las reacciones químicas que se dan en la interfase de un conductor eléctrico (llamado electrodo, que puede ser un metal o un semiconductor) y un conductor iónico (el electrolito) pudiendo ser una disolución y en algunos casos especiales, un sólido.
Si una reacción química es conducida mediante una diferencia de potencial aplicada externamente, se hace referencia a una electrólisis. En cambio, si la caída de potencial eléctrico, es
creada como consecuencia de la reacción química, se conoce como un "acumulador de energía eléctrica", también llamado batería o celda galvánica.
Las reacciones químicas donde se produce una transferencia de electrones entre moléculas se conocen como reacciones redox, y su importancia en la electroquímica es vital, pues mediante este tipo de reacciones se llevan a cabo los procesos que generan electricidad o en caso contrario, son producidos como consecuencia de ella.
En general, la electroquímica se encarga de estudiar las situaciones donde se dan reacciones de oxidación y reducción encontrándose separadas, físicamente o temporalmente, se encuentran en un entorno conectado a un circuito eléctrico. Esto último es motivo de estudio de la química analítica, en una subdisciplina conocida como análisis potenciométrico.
Fig. xx. Michael Faraday,
Químico inglés considerado
el fundador de la
electroquímica actual.
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Celdas Electroquímicas.
La Celda Electroquímica es el dispositivo utilizado para la descomposición mediante corriente eléctrica de sustancias ionizadas denominadas electrolitos. También se conoce como celda galvánica o voltaica, en honor de los científicos Luigi Galvani y Alessandro Volta, quienes fabricaron las primeras de este tipo a fines del S. XVIII.
Esquema de la Pila de Daniell. El puente salino (representado por el tubo en forma de U
invertida) contiene una disolución de KCl permitiendo la interacción eléctrica entre el ánodo y
el cátodo. Las puntas de éste deben estar tapadas con pedazos de algodón para evitar que
la disolución de KCl contamine los otros contenedores.
Las celdas electroquímicas tienen dos electrodos: El Ánodo y el Cátodo. El ánodo se define como el electrodo en el que se lleva a cabo la oxidación y el cátodo donde se efectúa la reducción. Los electrodos pueden ser de cualquier material que sea un conductor eléctrico, como metales, semiconductores. También se usa mucho el grafito debido a su conductividad y a su bajo costo. Para completar el circuito eléctrico, las disoluciones se conectan mediante un conductor por el que pasan los cationes y aniones, conocido como puente de sal (o como puente salino). Los cationes disueltos se mueven hacia el Cátodo y los aniones hacia el Ánodo. La corriente eléctrica fluye del ánodo al cátodo porque existe una diferencia de potencial eléctrico entre ambos electrolitos. Esa diferencia se mide con la ayuda de un voltímetro y es conocida como el voltaje de la celda. También se denomina fuerza electromotriz (fem) o bien como potencial de celda. En una celda galvánica donde el ánodo sea una barra de Zinc y el cátodo sea una barra de Cobre, ambas sumergidas en soluciones de sus respectivos sulfatos, y unidas por un puente salino, se la conoce como Pila de Daniell.
Aplicaciones. Hay varias aplicaciones electroquímicas importantes en el marco de la naturaleza y de la industria. La generación de energía química en la fotosíntesis es también un proceso electroquímico, así como la producción de metales como aluminio y titanio y en el proceso de galvanización con metales. En el mecanismo de los alcoholímetros también aparece la electroquímica, donde un metal se oxida mediante electro deposición y se detecta el nivel de alcohol de los conductores ebrios gracias a la redox del etanol. Los impulsos nerviosos en las neuronas están basados en la energía eléctrica generada por el movimiento de los iones de sodio y potasio hacia
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dentro y hacia afuera de las células. Ciertas especies de animales, como las anguilas, pueden generar un fuerte potencial eléctrico capaz de incapacitar animales mucho mayores que las mismas.
3.2. CONTAMINACIÓN DEL SUELO La contaminación del suelo generalmente aparece al producirse una ruptura de tanques de almacenamiento subterráneo, aplicación de pesticidas, filtraciones de rellenos sanitarios o de acumulación directa de productos industriales. Un suelo se puede degradar al acumularse en él sustancias a unos niveles tales que repercuten negativamente en el comportamiento de los suelos. Las sustancias, a esos niveles de concentración, se vuelven tóxicas para los organismos del suelo. Se trata pues de una degradación química que provoca la pérdida parcial o total de la productividad del suelo. Los químicos más comunes incluyen derivados del petróleo, solventes, pesticidas y otros metales pesados. Éste fenómeno está estrechamente relacionado con el grado de industrialización e intensidad del uso de químicos. En lo concerniente a la contaminación de suelos su riesgo es primariamente de salud, de forma directa y al entrar en contacto con fuentes de agua potable. La delimitación de las zonas contaminadas y la resultante limpieza de esta son tareas que consumen mucho tiempo y dinero, requiriendo extensas habilidades de geología, hidrografía, química y modelos a computadora.
Agentes. Los principales agentes son: papel, vidrio, plástico, materia orgánica, solventes, plaguicidas, residuos peligrosos o sustancias radioactivas, etc.
Plaguicidas y pesticidas. La población mundial ha crecido en forma abismante en estos últimos 40 a 50 Años. Este aumento demográfico exige al hombre un gran desafío en relación con los recursos alimenticios, lo cual implica una utilización más intensiva de los suelos, con el fin de obtener un mayor rendimiento agrícola.
Insecticidas. Se usan para exterminar plagas de insectos. Actúan sobre larvas, huevos o insectos adultos. Uno de los insecticidas más usado es el DDT, que se caracteriza por ser muy rápido. Trabaja por contacto y es absorbido por la cutícula de los insectos, provocándoles la muerte. Este insecticida puede mantenerse por 10 años o más en los suelos y no se descompone. Se ha demostrado que los insecticidas organoclorados, como es el caso del DDT, se introducen en las cadenas alimenticias y se concentran en el tejido graso de los animales. Cuanto más alto se encuentre en la cadena -es decir, más lejos de los vegetales- más concentrados estará el insecticida. Por ejemplo si se tiene: En todos los eslabones de la cadena, existirán dosis de insecticida en sus tejidos. Sin embargo, en el carnívoro de 2° orden, el insecticida estará mucho más concentrado.
Fig. xx. Basurero/botadero
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El problema de la contaminación por plaguicidas es cada vez más grave tanto por la cantidad y diversidad como por la resistencia a ellos que adquieren algunas especies, lo que ocasiona que se requiera cada vez mayor cantidad del plaguicida para obtener el efecto deseado en las plagas. Sin embargo, la flora y fauna oriundas es afectada cada vez más destruyendo la diversidad natural de las regiones en que se usan. Además pueden ser consumidos por el hombre a través de plantas y animales que consume como alimento. Hay otros insecticidas que son usados en las actividades hortofrutícolas; son biodegradables y no se concentran, pero su acción tóxica está asociada al mecanismo de transmisión del impulso nervioso, provocando en los organismos contaminados una descoordinación del sistema nervioso.
Herbicidas. Son un tipo de compuesto químico que destruye la vegetación, ya que impiden el crecimiento de los vegetales en su etapa juvenil o bien ejercen una acción sobre el metabolismo de los vegetales adultos.
Fungicidas. Son plaguicidas que se usan para poder combatir el desarrollo de los hongos (fitoparásitos). Contienen los metales azufre y cobre.
Actividad minera. La presencia de contaminantes en un suelo supone la existencia de potenciales efectos nocivos para el hombre, la fauna en general y la vegetación. Estos efectos tóxicos dependerán de las características toxicológicas de cada contaminante y de la concentración del mismo. La enorme variedad de sustancias contaminantes existentes implica un amplio espectro de afecciones toxicológicas cuya descripción no es objeto de este trabajo. De forma general, la presencia de contaminantes en el suelo se refleja de forma directa sobre la vegetación induciendo su degradación, la reducción del número de especies presentes en ese suelo, y más frecuentemente la acumulación de contaminantes en las plantas, sin generar daños notables en éstas. En el hombre, los efectos se restringen a la ingestión y contacto dérmico, que en algunos casos ha desembocado en intoxicaciones por metales pesados y más fácilmente por compuestos orgánicos volátiles o semivolátiles. Indirectamente, a través de la cadena trófica, la incidencia de un suelo contaminado puede ser más relevante. Absorbidos y acumulados por la vegetación, los contaminantes del suelo pasan a la fauna en dosis muy superiores a las que podrían hacerlo por ingestión de tierra. Cuando estas sustancias son bioacumulables, el riesgo se amplifica al incrementarse las concentraciones de contaminantes a medida que ascendemos en la cadena trófica, en cuya cima se encuentra el hombre. Las precipitaciones ácidas sobre determinados suelos originan, gracias a la capacidad intercambiadora del medio edáfico, la liberación del ión aluminio, desplazándose hasta ser absorbido en exceso por las raíces de las plantas, afectando a su normal desarrollo. En otros casos, se produce una disminución de la presencia de las sustancias químicas en el estado favorables para la asimilación por las plantas. Así pues, al modificarse el pH del suelo, pasando de básico a ácido, el ion manganeso que está disuelto en el medio acuoso del suelo se oxida, volviéndose insoluble e inmovilizándose.
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A este hecho hay que añadir que cuando el pH es bajo, las partículas coloidales como los óxidos de hierro, titanio, zinc, etc. que puedan estar presentes en el medio hídrico, favorecen la oxidación del ion manganeso. Esta oxidación se favorece aún más en suelos acidificados bajo las incidencias de la luz solar en las capas superficiales de los mismos, produciéndose una actividad fotoquímica de las partículas coloidales anteriormente citadas, ya que tienen propiedades semiconductoras. Otro proceso es el de la biometilización, que es un proceso por el cual reaccionan los iones metálicos y determinadas sustancias orgánicas naturales, cambiando radicalmente las propiedades físico-químicas del metal. Es el principal mecanismo de movilización natural de los cationes de metales pesados. Los metales que ofrecen más afinidad para este proceso son: mercurio, plomo, arsénico y cromo.
Interrupción de procesos biológicos. Descontaminación. Los microbios pueden usarse en la descontaminación del suelo. La descontaminación o remediación se analiza utilizando mediciones a campo de la química del suelo, aplicando modelo de computadora para analizar transporte.
Algunas estrategias para la penetración agrícola: Excavar el suelo y removerlo a un sitio fuera del contacto con ecosistemas sensibles
y/o humanos. Esta técnica se aplica a dragado de cieno con estiércol. Aireación del suelo contaminado (atendiendo el riesgo de crear contaminación del
aire) Bioremediación, con digestión microbiana para ciertos contaminantes orgánicos. Las
técnicas usadas en bioremediación incluyen la agricultura, bioestimulación y bioaumentación de la biota del suelobiología del suelo con microflora disponible comercialmente.
Extracción de agua freática o de vapor del suelo con un sistema activo electromecánico, con la subsecuente acumulación del contaminante en el extracto.
Concentrado de los contaminantes y enterrado o pavimentado en el lugar.
3.3. QUÍMICA ORGÁNICA. Los compuestos orgánicos, a diferencia de los inorgánicos, siempre contienen en su composición al carbono. Precisamente, la Química Orgánica tiene por objetivo el estudio del carbono, su estructura, compuestos, transformaciones y aplicaciones. Actualmente, se conocen varios millones de compuestos orgánicos, mientras que la cantidad de las sustancias inorgánicas es mucho menor. ¿Por qué el carbono forma una gran variedad de compuestos? ¿Cómo se enlazan o se organizan los átomos de carbono? Las sustancias orgánicas se encuentran en todos los organismos vegetales y animales, entran en la composición de nuestros alimentos (pan, carne, legumbres, etc.), sirven de material para la confección de diversas vestimentas (nailon, seda, etc.), forman diferentes tipos de
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combustible, se utilizan como medicamentos, materias colorantes, como medio de protección en la agricultura (insecticidas, fungicidas, etc.). Como se puede ver, los compuestos orgánicos son muy importantes en la vida cotidiana y a nivel industrial. Los logros de la Química Orgánica se utilizan ampliamente en la producción moderna, siendo fundamental su aporte en la economía nacional, ya que al realizar a gran escala los procesos de transformación, no solamente se obtienen sustancias naturales, sino también sustancias artificiales, por ejemplo, numerosas materias plásticas como caucho, pinturas, sustancias explosivas y productos medicinales.
3.4. QUÍMICA ORGÁNICA COMO CIENCIA
La Química Orgánica es una rama de la Química que se encarga del estudio del carbono y sus compuestos, tanto de origen natural como artificial, analizando su composición, estructura interna, propiedades físicas, químicas y biológicas, las transformaciones que sufren estos compuestos, así como sus aplicaciones.
Muchos compuestos orgánicos son muy conocidos, entre ellos tenemos: propano, CH3CH2CH3; etanol, CH3CH2OH; acetona, CH3COCH3; ácido acético, CH3COOH; glucosa, C6H12O6; urea, CO(NH2)2; etc. Se observa que todos los compuestos contienen al átomo de carbono, es por esta razón que la Química Orgánica es conocida también como Química del Carbono.
3.5. QUÍMICA ORGÁNICA EN LA INDUSTRIA Toda la industria química orgánica se alimenta de las industrias químicas pesadas cuyas materias primas son el petróleo, el gas natural y el carbón. Otra gran parte de la IQO se abastece de productos naturales de origen animal o vegetal. Los productos obtenidos en la IQO se utilizan bien como intermedios para otros procesos industriales o bien para consumo directo (fármacos, plásticos…). Estos últimos, es decir, los productos orgánicos industriales utilizados para consumo directo pueden englobarse en dos grandes grupos:
- Aquellos que se producen a gran escala, toneladas por año, y su precio por kilogramo es moderado. Como son los plásticos, abonos, detergentes, plaguicidas…
- Aquellos que se fabrican en cantidades pequeñas, pero su precio es muy alto y, por tanto, el volumen de sus ventas, en dinero, también lo es. La fabricación de estos productos constituye la llamada Industria Química Orgánica fina. La IQO fina en la actualidad es la
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IQO que posee mayor competencia, mayor gasto en investigación y mayor velocidad de cambio. 3.6. ¿Qué es la Petroquímica? La Petroquímica es el proceso por el cual se obtienen productos derivados de los hidrocarburos, principalmente del petróleo y el gas natural. Dichos productos se convierten en las materias primas (insumos) de los procesos productivos de otras industrias, como la de la fabricación de plásticos, fertilizantes, asfalto, fibras sintéticas, etc.
Los productos de la petroquímica. El proceso para la obtención de los petroquímicos se inicia en las Refinerías, donde mediante procesos muy complejos, se producen cambios físicos y químicos en los hidrocarburos, haciendo que se separen el petróleo crudo y el gas natural en compuestos más sencillos (o ligeros) de hidrocarburos. Los compuestos obtenidos a través de los procesos de la refinería (como la nafta, el butano, propano, etano entre otros, los que son insumos básicos de la petroquímica) son procesados a través de lo que se conoce como ―Cracking‖ o
desdoblamiento de las moléculas pesadas en moléculas más ligeras, y el reformado, que implica la modificación de la estructura química de los hidrocarburos. A través de estos procesos se obtienen los llamados petroquímicos básicos como: olefinas (etileno, propileno, butileno), aromáticos (benceno, toluenos y xyleno) y metanol. Posteriormente, estos petroquímicos básicos sirven de insumo para la realización de procesos distintos, que llevan a nuevos productos, pudiendo ser muchos los pasos para poder llegar al producto final. Fundamentalmente, los petroquímicos básicos, en combinación con otros insumos químicos, permiten obtener los denominados petroquímicos intermedios entre los que tenemos a los poliuretanos (que sirve para fabricar camas, colchones, borradores, plásticos, etc), acetaldehídos (lacas, saborizantes, perfumes, etc), el formoaldehído y las resinas que se producen en base al metanol, además de distintos productos finales con los cuales se fabrican productos como los plásticos, gomas, lubricantes, pinturas, detergentes, antidetonantes, etc. Los átomos de carbono pueden unirse entre sí hasta grados imposibles para los átomos de cualquier otro elemento. Pueden formar cadenas de miles de átomos o anillos de todos los tamaños; estas cadenas y anillos pueden tener ramificaciones y uniones cruzadas. A los carbonos de estas cadenas y anillos se unen otros átomos; principalmente de hidrógeno, pero también de flúor, cloro, bromo, yodo, oxígeno, nitrógeno, azufre, fósforo y muchos otros.
La importancia de la obtención y síntesis de compuestos orgánicos. Aunque aún, hoy muchos compuestos del carbono se aíslan mejor a partir de fuentes vegetales y animales, la mayoría de ellos se obtienen por síntesis, a veces se sintetizan a partir de sustancias inorgánicas, como carbonatos y cianuros, pero más a menudo se parte de otros compuestos orgánicos. Es así que el número de compuestos orgánicos naturales y sintéticos conocidos en la actualidad sobrepasa los diez millones y que este número aumente en medio millón cada año. No es de sorprender que el estudio de su química sea un campo especializado.
Nicotina
Prozac
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Los compuestos orgánicos son obtenidos por medio de materiales producidos por organismos vivos, pero también son obtenidos, y en gran mayoría, a partir de compuestos inorgánicos. Existe una amplia gama de sustancias (medicamentos, vitaminas, plásticos, fibras sintéticas y naturales, hidratos de carbono, proteínas y grasas) formadas por moléculas orgánicas.
Campos de gran importancia para la química orgánica. Los compuestos orgánicos son tan abundantes que casi todo los que vemos a nuestro alrededor está formado por estos. Veremos algunos campos donde es importante el desarrollo de la química orgánica: En la industria química de base: esta trabaja a partir de las materias primas naturales (en gran mayoría sustancias orgánicas). Por ejemplo la fabricación del alcohol por fermentación de azúcares. Las industrias químicas de base toman sus materias primas del agua (hidrógeno), de la tierra (carbón, petróleo y minerales) y de la biosfera (caucho, grasas y madera)
3.7. LAS VITAMINAS Una importante fuente en la industria de la química orgánica. Hay dos grandes fuentes de las que se pueden obtener sustancias orgánicas simples: el Petróleo y el Carbón. Estas sustancias simples se emplean como elementos básicos, a partir de los cuales se pueden hacer compuestos más complicados. A partir de este compuesto se pueden obtener aceites lubricantes, gasolinas, grasas para maquinaria, parafina y asfalto utilizado en calles y carreteras, entre otros productos. Los compuestos orgánicos formados principalmente por combinaciones diferentes de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, tienen propiedades especiales que son útiles para el ser humano.
3.8. ANTIBIÓTICOS
La Penicilina. Son sólo algunos de los cientos de ejemplos del tipo de compuestos o materiales orgánicos que se emplean diariamente y que constantemente se incrementan. La Química Orgánica es fundamental para la biología y la medicina es decir constituye un campo intensamente importante para la tecnología.
3.9. ESTEREOQUÍMICA
La estereoquímica es la parte de la química que toma como base el estudio de la disposición espacial de los átomos que componen las moléculas y el cómo afecta esto a las propiedades y reactividad de dichas moléculas. También se puede definir como el estudio de
Fig. xx. Vitaminas
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los isómeros: compuestos químicos con la misma fórmula molecular pero de diferentes fórmulas estructurales. Resulta de interés el estudio del benceno. Una parte importante de la estereoquímica se dedica al estudio de moléculas quirales. La estereoquímica proporciona conocimientos importantes para la química en general ya sea inorgánica, orgánica, biológica, fisicoquímica o química de polímeros.
Importancia de la estereoquímica. La estereoquímica es de gran relevancia en el área de polímeros. Por ejemplo, el hule natural consiste en unidades repetitivas de cis-poliisopreno, casi en un 100%, mientras que el hule sintético consiste de unidades de trans-poliisopreno o una mezcla de ambas. La resiliencia de ambos es diferente y las propiedades físicas del caucho natural siguen siendo muy superiores de las propiedades físicas del sintético. Otros casos de importancia incluyen al poliestireno y al polipropileno, cuyas propiedades físicas son incrementadas cuando su tacticidad es la correcta. En la medicina, el caso más representativo acerca de la importancia de la estereoquímica es el llamado desastre de la talidomida, una droga sintetizada en 1957 en Alemania, prescrita para mujeres embarazadas en el tratamiento de malestares matutinos. Sin embargo, se demostró que la droga podía causar deformaciones en los bebés, tras lo cual se estudió a fondo el medicamento y se llegó a la conclusión de que un isómero era seguro mientras que el otro tenía efectos teratogénicos, causando daños genéticos severos al embrión en crecimiento. El cuerpo humano produce una mezcla racémica de ambos isómeros, aún si sólo uno de ellos es introducido.
3.10. HIDROCARBUROS SATURADOS Los alcanos son compuestos formados sólo por átomos de carbono e hidrógeno, no presentan funcionalización alguna, es decir, sin la presencia de grupos funcionales como el carbonilo (-CO), carboxilo (-COOH), amida (-CON=), etc. La relación C/H es de CnH2n+2 siendo n el número de átomos de carbono de la molécula, (como se verá después esto es válido para alcanos de cadena lineal y cadena ramificada pero no para alcanos cíclicos). Esto hace que su reactividad sea muy reducida en comparación con otros compuestos orgánicos, y es la causa de su nombre no sistemático: parafinas (del latín, poca afinidad). Todos los enlaces dentro de las moléculas de alcano son de tipo simple o sigma, es decir, covalentes por compartición de un par de electrones en un orbitals.
Abundancia de los alcanos en el universo. El metano y el etano constituyen una parte importante en la composición de la atmósfera de Júpiter.
El metano es el primer alcano. Los alcanos son hidrocarburos, es decir que tienen sólo átomos de carbono e hidrógeno. La fórmula general para alcanos alifáticos (de cadena lineal) es CnH2n+2, y para cicloalcanos es CnH2n. También reciben el nombre de hidrocarburos saturados.
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Los alcanos son una parte importante de la atmósfera de los planetas gaseosos exteriores, como Júpiter (0,1% metano, 0,0002% etano), Saturno (0,2% metano, 0,0005% etano), Urano (1,99% metano, 0,00025% etano) y Neptuno (1,5% metano, 1,5ppm etano). Titán, un satélite, de Saturno, fue estudiado por la sonda espacial Huygens, lo que indicó que la atmósfera de Titán llueve metano líquido a la superficie de la luna. También se observó en Titán un volcán que arrojaba metano, y se cree que este volcanismo es una fuente significativa de metano en la atmósfera. También parece ser que hay lagos de metano/etano cerca de las regiones polares nórdicas de Titán, como lo descubrió el sistema de imágenes por radar de la sonda Cassini. También se ha detectado metano y etano en la cola del cometa Hyakutake. El análisis químico mostró que la abundancia del etano y el metano son aproximadamente iguales, lo que se cree que implica que los hielos formados en el espacio interestelar, lejos del sol, podrían haberse evaporado en forma desigual debido a la diferente volatilidad de estas moléculas. También se ha detectado alcanos en meteoritos tales como las condritas carbonáceas.
Abundancia de los alcanos en la Tierra. En la atmósfera hay trazas de gas metano (0,0001%), producido principalmente por organismos como Archaea, que se encuentra, por ejemplo, en el estómago de las vacas. La fuente comercial más importante para los alcanos es el gas natural y el petróleo. El gas natural contiene principalmente metano y etano, pero también algo de propano y butano: el petróleo es una mezcla de alcanos líquidos y otros hidrocarburos. Estos hidrocarburos se formaron cuando los animales marinos y plantas (zooplancton y fitoplancton) muertos y hundidos en el fondo de los mares antiguos y cubiertos con sedimentos en un medio anóxico y cubiertos por varios millones de años a alta temperatura y presión hasta su forma actual. El gas natural, por ejemplo, se puede obtener de la reacción siguiente:
C6H12O6 → 3CH4 + 3CO2 Estos hidrocarburos fueron absorbidos en rocas porosas, y se localizaron en una cápsula impermeable de roca y ahí quedaron atrapados. A diferencia del metano, que se reforma en grandes cantidades, los alcanos superiores (alcanos con 9 átomos de carbono o más) raras veces se producen en cantidades grandes en la naturaleza. Estos depósitos, por ejemplo, campos de petróleo, se han formado durante millones de años y una vez exhaustos no pueden ser reemplazados rápidamente. El agotamiento de estos hidrocarburos es la base para lo que se conoce como crisis energética. Los alcanos sólidos se conocen como alquitrán y se forman cuando los alcanos más volátiles, como los gases y el aceite, se evaporan de los depósitos de hidrocarburos. Uno de los depósitos más grandes de alcanos sólidos es en el lago de asfalto conocido como el lago Pitch en Trinidad y Tobago. El metano también está presente en el denominado biogás, producido por los animales y materia en descomposición, que es una posible fuente renovable de energía. Los alcanos tienen solubilidad baja en agua; sin embargo, a altas presiones y temperaturas bajas (tal como en el fondo de los océanos), el metano puede co-cristalizar con el agua para formar un hidrato de metano sólido.
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Abundancia biológica. Aunque los alcanos están presentes en la naturaleza de distintas formas, no están catalogados biológicamente como materiales esenciales. Hay cicloalcanos de tamaño de anillo entre 14 y 18 átomos de carbono en el musk, extraído de ciervos de la familia Moschidae. Toda la información adicional se refiere a los alcanos acíclicos. Los metanógenos también son los productores del gas de los pantanos en humedales, y liberan alrededor de dos mil millones de toneladas de metano por año—el contenido atmosférico de este gas es producido casi exclusivamente por ellos. La producción de metano del ganado y otros herbívoros, que pueden liberar hasta 150 litros por día, y de las termitas también se debe a los metanógenos. También producen los alcanos más simples en el intestino de los humanos. Por tanto, las archaeametanogénicas están en el extremo del ciclo del carbono, con el carbono siendo liberado en la atmósfera después de haber sido fijado por la fotosíntesis. Es posible que nuestros actuales depósitos de gas natural se hayan formado en forma similar.
Hongos y plantas. El agua forma gotas sobre la película delgada de cera de alcanos en la cáscara de la manzana. Los alcanos también juegan un rol, si bien es cierto menor, en la biología de los tres grupos de organismos eucariotas: hongos, plantas y animales. Algunas levaduras especializadas, como Candidatropicale, Pichiasp., Rhodotorulasp., pueden usar alcanos como una fuente de carbono o energía. El hongo Amorphothecaresinae prefiere los alcanos de cadena larga en las gasolinas de aviación, y puede causar serios problemas para los aviones en las regiones tropicales. En las plantas, se encuentran alcanos sólidos de cadena larga; forman una capa firme de cera, la cutícula, sobre las áreas de las plantas expuestas al aire. Ésta protege a la planta de la pérdida de agua, a la vez que evita el leaching de minerales importantes por la lluvia. También es una protección contra las bacterias, hongos, e insectos dañinos— estos últimos se hunden con sus patas en la sustancia cerosa suave, y tienen movilidad dificultada. La capa brillante sobre las frutas, tales como las manzanas, consiste de alcanos de cadena larga. Las cadenas de carbono tienen generalmente entre veinte y treinta átomos de carbono de longitud, y las plantas las preparan a partir de los ácidos grasos. La composición exacta de la película de cera no sólo depende de la especie, sino que cambia con la estación y factores ambientales como las condiciones de iluminación, temperatura o humedad.
Animales. Los alcanos se encuentran en productos animales, aunque son menos importantes que los hidrocarburos insaturados. Un ejemplo es el aceite de hígado de tiburón, que es
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aproximadamente 14% pristano (2, 6, 10,14-tetrametilpentadecano, C19H40). Su abundancia es más significativa en las feromonas, materiales que fungen como mensajeros químicos, en los cuales se fundamenta casi toda la comunicación entre insectos. En algunos tipos, como el escarabajo Xylotrechuscolonus, principalmente el pentacosano (C25H52), 3-metilpentaicosano (C26H54) y 9-metilpentaicosano (C26H54), se transfieren por contacto corporal. Con otras, como la mosca tsetseGlossinamorsitansmorsitans, la feromona contiene los cuatro alcanos 2-metilheptadecano (C18H38), 17,21-dimetilheptatriacontano (C39H80), 15,19-dimetilheptatriacontano (C39H80) y 15,19,23-trimetilheptatriacontano (C40H82), y actúa mediante el olfato en distancias grandes, una característica muy útil para el control de plagas.
Relaciones ecológicas. Un ejemplo, en el que tanto los alcanos de plantas y animales juegan un rol, es la relación ecológica entre la abeja Andrenanigroaenea y la orquídea Ophryssphegodes; la última depende para su polinización de la primera. Las abejas Andrenanigroaenea usan feromonas para identificar un compañero; en el caso de A. nigroaenea, las hembras emiten una mezcla de tricosano (C23H48), pentacosano (C25H52) y heptacosano (C27H56). Específicamente por este olor. La orquídea toma ventaja de este arreglo de apareamiento para hacer que las abejas macho recolecten y diseminen su polen; no sólo sus flores se parecen a dicha especie de abejas, sino que también producen grandes cantidades de los tres alcanos en la misma proporción.
Refinado del petróleo. La fuente más importante de alcanos es el gas natural y el petróleo crudo. Los alcanos son separados en una refinería de petróleo por destilación fraccionada y procesados en muchos productos diferentes.
Fischer-Tropsch. El proceso Fischer-Tropsch es un método para sintetizar hidrocarburos líquidos, incluyendo alcanos, a partir de monóxido de carbono e hidrógeno. Este método es usado para producir sustitutos para los destilados de petróleo.
3.11. HIDROCARBUROS NO SATURADOS.
ALQUENOS U OLEOFINAS CH2 = CH2 eteno
Las olefinas, alquenos o alcenos son los hidrocarburos no saturados que contienen doble enlace. Tienen la fórmula general CnH2n y este doble enlace se conoce también como enlace etilénico. Se obtienen en grandes cantidades en el cracking o craqueo del petróleo y de hidrocarburos daturados como el etanol, propano, butano, y naftas. Se utilizan para preparar muy variados compuestos. OBTENCIÓN: Los alquenos no superiores a cuatro carbonos pueden obtenerse puros en la industria petrolera, Los alquenos puros más complejos se preparan de la siguiente manera:
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Propiedades Químicas. Debido a la presencia del doble enlace, los alquenos experimentan un gran número de reacciones de adición. En condiciones especiales sufren asimismo reacciones de sustitución. Las reacciones de adición transforman la molécula no saturada en saturada. el doble enlace se caracteriza por una gran fragilidad a la acción de los oxidantes y por la facilidad que tiene en formar polímeros. En las reacciones de oxidación, los oxidantes fuertes, cono el permanganato de potasio, provocan la ruptura de la molécula por el doble enlace y los productos originales se transforman en aldehídos o cetonas, según que los carbonos sean primarios o secundarios.
Alquinos O Acetilenos Los alquinos o hidrocarburos acetilénicos, siguen la formula generalizada CnH2n-2, y se nombran siguiendo las mismas reglas que en el caso de los alquenos, pero cambiando la terminación –eno, por –ino. Ejemplos:
Etino → CH ≡ CH Propino → CH ≡ C-CH3
Los alquinos poseen unas propiedades físicas similares a las de los alcanos y alquenos que tengan la misma cantidad de átomos de carbono. Estos hidrocarburos realizan reacciones de adición, al igual que los alquenos, pero en este caso la adición es al triple enlace, dando como productos compuestos con dobles y simples enlaces entre los carbonos. El primer hidrocarburo de la serie de los alquinos, o el más importante, es el acetileno, que se obtiene a través de hidrólisis del carburo cálcico siguiendo la siguiente reacción:
Dentro del grupo de los hidrocarburos no saturados, también se encuentran los hidrocarburos aromáticos, que son aquellos derivados del benceno (C6H6) Dicho tipo de hidrocarburos se obtienen a partir del refinado y tratamientos del petróleo. Existen muchas reacciones para estos tipos de compuestos, pero las más típicas son las de sustitución, donde se cambia un hidrógeno del benceno por otro grupo funcional:
Nitración: se produce al sustituir un hidrógeno por un grupo nitro (-NO2). Halogenación: tiene lugar cuando se sustituye un hidrógeno por un halógeno. Sulfonación: se produce al sustituir un hidrógeno por el grupo –SO3H.
Los hidrocarburos no saturados son los compuestos químicos que poseen enlaces de tipo doble o triple en la composición de su molécula. En el caso de encontrarse presente en la molécula un doble enlace, ésta recibirá el nombre de alqueno, también conocida como olefina o hidrocarburo etilénico, debido a que el etileno el compuesto más conocido o importante con doble enlace.
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3.12. HIDROCARBUROS AROMÁTICOS Molécula de benceno, el compuesto aromático más reconocido. Un hidrocarburo aromático es un polímerocíclico conjugado que cumple la Regla de Hückel, es decir, que tienen un total de 4n+2 electrones pi en el anillo. Para que se dé la aromaticidad, deben cumplirse ciertas premisas, por ejemplo que los dobles enlaces resonantes de la molécula estén conjugados y que se den al menos dos formas resonantes equivalentes. La estabilidad excepcional de estos compuestos y la explicación de la regla de Hückel han sido explicadas cuánticamente mediante el modelo de "partícula en un anillo". Originalmente el término estaba restringido a un producto del alquitrán mineral, el benceno, y a sus derivados, pero en la actualidad incluye casi la mitad de todos los compuestos orgánicos; el resto son los llamados compuestos alifáticos. El máximo exponente de la familia de los hidrocarburos aromáticos es el benceno(C6H6), pero existen otros ejemplos, como la familia de anulenos, hidrocarburosmonocíclicos totalmente conjugados de fórmula general (CH)n.
Estructura. Resonancia del Benceno. Cada carbono tiene tres electrones enlazados y el cuarto localizado gira alrededor del anillo. Una característica de los hidrocarburos aromáticos como el benceno, anteriormente mencionada, es la coplanaridad del anillo o la también llamada resonancia, debida a la estructura electrónica de la molécula. Al dibujar el anillo del benceno se le ponen tres enlaces dobles y tres enlaces simples. Dentro del anillo no existen en realidad dobles enlaces conjugados resonantes, sino que la molécula es una mezcla simultánea de todas las estructuras, que contribuyen por igual a la estructura electrónica. En el benceno, por ejemplo, la distancia interatómica C-C está entre la de un enlace σ (sigma) simple y la de uno π (pi) (doble). Todos los derivados del benceno, siempre que se mantenga intacto el anillo, se consideran aromáticos. La aromaticidad puede incluso extenderse a sistemas policíclicos, como el naftaleno, antraceno, fenantreno y otros más complejos, incluso ciertos cationes y aniones, como el pentadienilo, que poseen el número adecuado de electrones π y que además son capaces de crear formas resonantes. Estructuralmente, dentro del anillo los átomos de carbono están unidos por un enlace sp2 entre ellos y con los de hidrógeno, quedando un orbital π perpendicular al plano del anillo y que forma con el resto de orbitales de los otros átomos un orbital π por encima y por debajo del anillo.
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Aplicación. Entre los hidrocarburos aromáticos más importantes se encuentran todas las hormonas y vitaminas, excepto la vitamina C; prácticamente todos los condimentos, perfumes y tintes orgánicos, tanto sintéticos como naturales; los alcaloides que no son alicíclicos (ciertas bases alifáticas como la putrescina a veces se clasifican incorrectamente como alcaloides), y sustancias como el trinitrotolueno(TNT) y los gases lacrimógenos. Por otra parte los hidrocarburos aromáticos suelen ser nocivos para la salud, como los llamados BTEX, benceno, tolueno, etilbenceno y xileno por estar implicados en numerosos tipos de cáncer o el alfa-benzopireno que se encuentra en el humo del tabaco, extremadamente carcinógenico igualmente, ya que puede producir cáncer de pulmón.
RESUMEN DE LA UNIDAD.
En esta unidad se vio un análisis amplio de la aplicabilidad de la Química tanto inorgánica como orgánica a través de la existencia de productos como una amplia gama de sustancias como los medicamentos (antibióticos), las vitaminas, enzimas, hormonas, nutrientes, productos orgánicos están presentes en nuestra vida diaria (la ropa que vestimos, los jabones, shampoo, perfumes, detergentes limpiadores, antioxidantes, conservadores, colorantes, utensilios de cocina, la comida, etc.), los plásticos (que ha substituido a la madera y al metal), fibras sintéticas y naturales, hidratos de carbono, proteínas y grasas, todas formadas por moléculas orgánicas.
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UNIDAD 4: LA QUÍMICA ORGÁNICA EN LA VIDA Y EL MEDIO AMBIENTE
OBJETIVOS DE LA UNIDAD.
Fortalecemos, las capacidades científico tecnológico. Valoramos la armonía de la Madre Tierra y el cosmos en el desarrollo de nuestra comunidad, estudiando al átomo de carbono como elemento principal de nuestros recursos naturales describiendo sus propiedades, métodos de obtención, aplicación y utilización en los diferentes campos de producción, visitando los campos de producción, refinamiento y almacenamiento de los hidrocarburos, impulsando a mejorar nuestra tecnología en beneficio de la economía y bienestar sociocomunitario.
Valoramos la capacidad de emprendimiento reconociendo la importancia desarrollando la petroquímica y las consecuencias de su uso identificando la presencia de estos compuestos en los diferentes alimentos, medicamentos y otros productos que utilizando a diario, sus características propiedades y aplicaciones realizando mediciones del impacto ambiental, Para implementar proyectos productivos en la comunidad.
4.1. FUNCIONES OXIGENADAS: ALCOHOLES.
1. Son compuestos que resultan de sustituir un átomo de hidrógeno en uno o más átomos de carbono de un hidrocarburo saturado por grupos oxidrilo (OH)-1 .Ej:
CH3─ CH3 menos un H CH3─ CH2OH etano etanol
Fórmula general: R ─ OH
2. CLASES DE ALCOHOLES A)Según la posición del grupo oxidrilo: Primario: CH3─ CH2OH Secundario: CH3─ CHOH ─ CH2─ CH3 Terciario: CH2 = COH ─ CH2─ CH3
B) de acuerdo a la cantidad de OH: Monoles: CH3 ─ CHOH ─ CH3 Polioles: CH2OH ─ CHOH ─ CHOH ─ CH3
C) de acuerdo al tipo de cadena: Acíclica, cadena abierta pueden ser saturados o insaturados. Ejemplo: CH3─ CHOH ─ CH2 ─CH2 ─CH2 ─CH3 Cíclica: cuando la cadena es cerrada. Ejem: H2CCH2 H2C CHOH ciclo butanol
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4.2. ALDEHIDOS Y CETONAS.
Aldehídos y cetonas se caracterizan por tener el grupo carbonilo
La fórmula general de los aldehídos es
La fórmula general de las cetonas es
Aldehídos.
El sistema de nomenclatura corriente consiste en emplear el nombre del alcano correspondiente terminado en -al.
Cuando el grupo CHO es sustituyente se utiliza el prefijo formil-.
También se utiliza el prefijo formil- cuando hay tres o más funciones aldehídos sobre el mismo compuesto .En esos casos se puede utilizar otro sistema de nomenclatura que
consiste en dar el nombre de carbaldehído a los grupos CHO (los carbonos de esos CHO no se numeran, se considera que no forman parte de la cadena).Este último sistema es el
idóneo para compuestos con grupos CHO unidos directamente a ciclos.
Cetonas.
Para nombrar las cetonas tenemos dos alternativas:
1. El nombre del hidrocarburo del que procede terminado en -ona.Como sustituyente debe emplearse el prefijo oxo-.
2. Citar los dos radicales que están unidos al grupo carbonilo por orden alfabético y a continuación la palabra cetona.
Los compuestos carbonílicos presentan puntos de ebullición más bajos que los alcoholes de su mismo peso molecular. No hay grandes diferencias entre los puntos
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de ebullición de aldehídos y cetonas de igual peso molecular.
Los compuestos carbonílicos de cadena corta son solubles en agua y a medida que aumenta la longitud de la cadena disminuye la solubilidad.
Síntesis.
Ozonólisis de alquenos. Tratamiento con KMnO4 en caliente de alquenos. Este método sólo es válido para la
preparación de cetonas. Hidratación de alquinos. Hidroboración-oxidación de alquinos. Acilación de Friedel-Crafts del Benceno. Oxidación de alcoholes.
4.3. ÁCIDOS CARBOXÍLICOS Y SUS DERIVADOS: ÉTERES.
El grupo carboxilo, es uno de los grupos funcionales más abundantes en química y bioquímica. No sólo los ácidos carboxílicos son importantes en sí mismos, sino el grupo carboxilo es el grupo del cual se deriva una gran familia de compuestos.
ÁCIDOS CARBOXÍLICOS. Ar- R - COOH FÓRMULA CONDENSADA ÁCIDO DICARBOXÍLICO ALIFÁTICO: HOOC - C - COOH FÓRMULA CONDENSADA ÁCIDO DICARBOXÍLICO AROMÁTICO: Ar ( COOH )2
El hidrógeno, unido a un grupo arili o alquino puede unirse al grupo carboxili para producir la familia completa de ácidos carboxílicos, las pruebas físicas indican que los ácidos carboxílicos contienen tanto un enlace sencillo carbono oxígeno como un enlace doble carbono oxígeno.
Los ácidos carboxílicos alifáticos se conocen desde hace mucho tiempo, por lo que tienen nombres triviales que se refieren a su origen que a sus estructuras químicas. Muchos ácidos carboxílicos tienen nombres comunes derivados de palabras griegas o latinas que indican una de sus fuentes naturales. El ácido metanoico se llama ácido fórmico (del latín, formica u hormiga). El ácido etanoico se llama ácido acético (del latín, acetum o vinagre). El ácido butanoico es uno de los compuestos responsables del olor de la mantequilla rancia, así pues, su nombre común es ácido butírico (del latín, capero cabra).
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Generalmente se considera como ácido matriz el de cadena carbonada más larga aunque algunos compuestos se nombran como derivados del ácido acético.
Los ácidos aromáticos, ArCOOH, generalmente se consideran como derivados del ácido benzoico, C6H5COOH. Los ácidos metilbenzoicos reciben los nombres especiales de ácidos toluicos.
ESTRUCTURA.
De los compuestos orgánicos que presentan acidez apreciable, los ácidos carboxílicos son, los más importantes. Estas substancias con tienen el grupo carboxilo.
Si está unido a un grupo alquilo (RCOOH), o a un grupo arilo (ArCOOH), o que se trate de un grupo alifático o aromático, saturado o no saturado, substituido o no, las propiedades del grupo carboxilo son esencialmente las mismas.
ESTERES.
Los ésteres se sintetizan a partir de dos entidades orgánicas: un ácido y un alcohol o un fenol. Estos derivados funcionales de los ácidos carboxílicos, guardan estrecha relación con estos y entre ellas mismas. De manera similar a los otros derivados. Son compuestos en los que el -OH de un grupo carboxilo ha sido reemplazado por -OR'.
Tanto en el sistema de la UIQPA como en el sistema común, se enuncia primero el nombre del anión del ácido y a continuación el nombre del grupo alquilo del alcohol. El nombre de la parte ácida del éster se obtiene substituyendo la terminación icopor la terminación ato; las dos palabras se unen mediante la preposición de. La posición de los substituyentes en la parte ácida se designa en la misma forma que en los ácidos, considerando el carbono del carbonilo como el número uno. Los números de los substituyentes en la parte alcohólica son independientes de la numeración en la parte ácida; el átomo de carbono directamente unido al oxígeno alquílico lleva el número uno.
CH3 O OH O CH3 - CH - C - O - CH2 - Cl CH3 - CH - CH2 -C - O CH3 2 - Metilpropanoato de 2 - cloroetilo 3 - Hidrixibutanoato de metilo (Isobutirato de - cloroetilo) ( - Hidroxibutirato de metilo)
ESTRUCTURA.
La fórmula general de los ésteres tiene el mismo rasgo estructural común: el doble enlace carbono-oxígeno, ya que el ácido carboxílico es el compuesto original.
(Ar-) R -C - OR' o (Ar) RCOOR' o (Ar) ROCOR' Fórmula estructural Fórmula condensada
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4.4. FUNCIONES NITROGENADAS: AMINAS, AMIDAS, IMIDAS, NITRILOS, CARBILAMINAS
AMIDAS
Las amidas resultan al sustituir los átomos de hidrógeno del amoniaco por radicales ácidos (orgánicos o inorgánicos), pudiendo ser primarios, secundarias y terciarias, según el número de átomos reemplazados.
NOMENCLATURA.
La nomenclatura de las amidas se hace derivar de los nombres de los correspondientes hidrocarburos, o bien se forman con la raíz del nombre del ácido y la palabra amida.
Los nombres de las amidas que no tienen sustituyentes en el nitrógeno se forman eliminando la terminación -icodel nombre común de ácido oicodel nombre UIQPA y agregando la terminación amida.
CH3 -C - NH2 CH3CH2C- NH2 Acetamida o etanamida Propananida
Cuando hay sustituyentes en el átomo de nitrógeno de las amidas estos reciben los nombres de los grupos alquilo y el nombre del sustituyente va precedido de N-, o N, N-.
ESTRUCTURA.
(Ar-) R- C - NR'2 o (Ar) R C ONR'2 Fórmula estructural Fórmula condensada.
Amida
Las amidas poseen un sistema conjugado sobre los átomos
de O, C, N, consistente en orbitales moleculares ocupados ×
en: electrones deslocalizados. Uno de los "orbitales
moleculares π" en formamida se muestra arriba.
Una amida es un compuesto orgánico cuyo grupo funcional es del tipo RCONR'R'', siendo CO un carbonilo, N un átomo de nitrógeno, y R, R' y R'' radicales orgánicos o átomos de hidrógeno:
Se puede considerar como un derivado de un ácido carboxílico por sustitución del grupo —OH del ácido por un grupo —NH2, —NHR o —NRR' (llamado grupo amino).
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Otra versión de la amida:
El nailon es una poliamida debido a los característicos grupos amida en la cadena principal de su formulación. Por ejemplo, el nailon 6 se obtiene por polimerización de la ε-caprolactama.
Nailon 6
Ciertas poliamidas del tipo nailon son la poliamida-6, la poliamida-11, la poliamida-12, la poliamida-9,6, la poliamida-6,9, la poliamida-6,10 y la poliamida-6,12. Se pueden citar como ejemplo de poliamidas no lineales los productos de condensación de ácidos dimerizados de aceites vegetales con aminas. Las proteínas, como la seda, a la que el nailon reemplazó, también son poliamidas. Estos grupos amida son muy polares y pueden unirse entre sí mediante enlaces por puente de hidrógeno. Debido a esto y a que la cadena del nailon es tan regular y simétrica, los nailon son a menudo cristalinos, y forman excelentes fibras.
Ejemplos de amidas.
La acrilamida se emplea en distintas aplicaciones, aunque es más conocida por ser probablemente carcinógena y estar presente en bastantes alimentos al formarse por procesos naturales al cocinarlos.
Son fuente de energía para el cuerpo humano. Pueden ser vitaminas en el cuerpo o
analgésicos.
Importancia y usos.
Las amidas son comunes en la naturaleza y se encuentran en sustancias como los aminoácidos, las proteínas, el ADN y el ARN, hormonas, vitaminas. Es utilizada en el cuerpo para la excreción del amoníaco (NH3).Muy utilizada en la industria farmacéutica, y en la industria del nailon.
4.5. NOCIONES DE BIOQUÍMICA La Bioquímica es una ciencia que estudia la composición química de los seres vivos, especialmente las proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos, además de otras pequeñas moléculas presentes en las células y las reacciones químicas que sufren estos
compuestos (metabolismo) que les permiten obtener energía (catabolismo) y generar biomoléculas propias (anabolismo). La bioquímica se basa en el concepto de que todo
Fig. xx. Representación esquemática de la
molécula de ADN, la molécula portadora de la
información genética.
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ser vivo contiene carbono y en general las moléculas biológicas están compuestas principalmente de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre. Es la ciencia que estudia la base química de la vida: las moléculas que componen las células y los tejidos, que catalizan las reacciones químicas del metabolismo celular como la digestión, la fotosíntesis y la inmunidad, entre otras muchas cosas. Podemos entender la bioquímica como una disciplina científica integradora que aborda el estudio de las biomoléculas y biosistemas. Integra de esta forma las leyes químico-físicas y la evolución biológica que afectan a los biosistemas y a sus componentes. Lo hace desde un punto de vista molecular y trata de entender y aplicar su conocimiento a amplios sectores de la Medicina (terapia génica y Biomedicina), la agroalimentación, la farmacología… La bioquímica constituye un pilar fundamental de la biotecnología, y se ha consolidado como una disciplina esencial para abordar los grandes problemas y enfermedades actuales.
Ramas de la bioquímica Biología celular: (citología) es un área de la biología que se dedica al estudio de la morfología y fisiología de las células procariotas y eucariotas. Trata de conocer los orgánulos celulares, su composición bioquímica y su función en el contexto celular tanto en estados fisiológicos como patológicos. Es esencial en esta área conocer los procesos intrínsecos a la vida celular durante el ciclo celular, como la nutrición, la respiración, la síntesis de componentes, los mecanismos de defensa, la división celular y la muerte celular. También se deben conocer los mecanismos de comunicación de células (especialmente en organismos pluricelulares) o las uniones intercelulares. Es un área esencialmente de observación y experimentación en cultivos celulares, que, frecuentemente, tienen como objetivo la identificación y separación de poblaciones celulares y el reconocimiento de orgánulos celulares. Algunas técnicas utilizadas en biología celular tienen que ver con siembra de cultivos celulares, observación por microscopía óptica y electrónica, inmunocitoquímica, inmunohistoquímica, ELISA o citometría de flujo. Está íntimamente ligada a disciplinas como histología, microbiología o fisiología.
Química orgánica: es un área de la química que se encarga del estudio de los compuestos orgánicos, es decir, aquellos que tienen enlaces covalentes carbono-carbono o carbono-hidrógeno. Se trata de una ciencia íntimamente relacionada con la bioquímica, pues en la bioquímica la mayoría de compuestos biológicos participa el carbono. Así deben saber estructura, conocimientos sobre enlace químico, interacciones moleculares...
Genética molecular e ingeniería genética: es un área de la bioquímica y la biología
molecular que estudia los genes, su herencia y su expresión. Molecularmente, se dedica al estudio del DNA y del RNA principalmente, y utiliza herramientas y técnicas potentes en su estudio, tales como la PCR y sus variantes, los secuenciadores masivos, los kits comerciales de extracción de DNA y RNA, procesos de transcripción-traducción in vitro e in vivo, enzimas de restricción, DNA ligasas… Es esencial conocer como el DNA se replica, se transcribe y se traduce a proteínas (Dogma Central de la Biología Molecular), así como los mecanismos de expresión basal e inducible de genes en el genoma. También estudia la inserción de genes, el silenciamiento génico y la expresión diferencial de genes y sus efectos. Superando así las barreras y fronteras entre especies en el sentido que el genoma de una especie podemos insertarlo en otro y generar nuevas especies. Uno de sus máximos objetivos actuales es conocer los mecanismos de regulación y expresión genética, es decir, obtener un código epigenético. Constituye un pilar esencial en todas las disciplinas biocientíficas, especialmente en biotecnología.
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Inmunología: área de la biología, la cual se interesa por la reacción del organismo
frente a otros organismos como las bacterias y virus. Todo esto tomando en cuenta la reacción y funcionamiento del sistema inmune de los seres vivos. Es esencial en esta área el desarrollo de los estudios de producción y comportamiento de los anticuerpos.
Virología: área de la biología, que se dedica al estudio de los biosistemas más
elementales: los virus. Tanto en su clasificación y reconocimiento, como en su funcionamiento y estructura molecular. Pretende reconocer dianas para la actuación de posibles de fármacos y vacunas que eviten su directa o preventivamente su expansión. También se analizan y predicen, en términos evolutivos, la variación y la combinación de los genomas víricos, que podrían hacerlos eventualmente, más peligrosos. Finalmente suponen una herramienta con mucha proyección como vectores recombinantes, y han sido ya utilizados en terapia génica.
Farmacología: área de la bioquímica que estudia cómo afectan o benefician ciertas
sustancias químicas al funcionamiento celular en el organismo. Se pretende generar racionalmente sustancias menos invasivas y más eficaces contra dianas biomoleculares concretas. En bioquímica es esencial una de sus rama, la enzimología que estudia el comportamiento bioquímico de las enzimas (proteínas) que son biocatalizadores. En este sentido, pretende conocer el comportamiento cinético químico de ciertas reacciones metabólicas, los mecanismos de catálisis y los procesos de actuación de las enzimas, así como su modificación.
Enzimología: área de la bioquímica muy ligada a la farmacología. Estudia el
comportamiento de los catalizadores biológicos o enzimas, como son algunas proteínas y ciertos RNA catalíticos. Así se cuestiona los mecanismos de catálisis, los procesos de interacción de las enzimas-sustraro, los estados de transición catalíticos, las actividades enzimáticas, la cinética de la reacción,... todo ello desde un punto de vista bioquímico. Estudia y trata de comprender los elementos esenciales del centro activo y de aquellos que no participan, así como los efectos catalíticos que ocurren en la modificación de dichos elementos; en este sentido, utilizan frecuentemente técnicas como la mutagénesis dirigidas.
Estructura de macromoléculas o bioquímica estructural: es un área de la
bioquímica que pretende comprender la arquitectura química de las moléculas biológicas especialmente de las proteínas y de los ácidos nucleicos (DNA y RNA). Así intentan conocer por qué las macromoléculas son así, que interacciones físico-químicas atómicas posibilitan dichas estructuras, como se pliegan las proteínas… Uno de sus máximos retos es determinar la estructura de una proteína conociendo sólo la secuencia de aminoácidos, que supondría la base esencial para el diseño racional de proteínas (ingeniería de proteínas).
Metabolismo y su regulación: es un área de la bioquímica que pretende conocer los
diferentes tipos de rutas metabólicas a nivel celular, y su contexto orgánico. De esta forma son esenciales conocimientos de enzimología y biología celular. Estudia todas las reacciones bioquímicas celulares que posibilitan la vida, y así como los índices bioquímicos orgánicos saludables, las bases moleculares de las enfermedades metabólicas o los flujos de intermediarios metabólicos a nivel global.
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Técnicas bioquímicas básicas. Al ser una ciencia experimental la bioquímica requiere de numerosas técnicas instrumentales que posibilitan su desarrollo y ampliación, algunas de ellas se usan diariamente en cualquier laboratorio y otras son muy exclusivas.
Fraccionamiento subcelular, incluyen multitud de técnicas. Centrifugación. Cromatografía. Electroforesis. Técnicas radioisotópicas. PCR. Citometría de flujo. Inmunoprecipitación. ELISA. Microscopio electrónico. Cristalografía de rayos X. Resonancia magnética nuclear. Espectrometría de masas.
Expectativas y retos de la bioquímica. La bioquímica es una ciencia experimental que tiene un presente y un futuro prometedor, en el sentido, que se yergue como base de la biotecnología y la biomedicina. La bioquímica es básica para la formación de organismos y alimentos transgénicos, la bioremediación o la terapia génica, y se constituye como faro y esperanza de los grandes retos que plantea el siglo XXI. No cabe duda de que los cambios que traerá, beneficiarán enormemente a la humanidad, pero el hecho intrínseco de ser un conocimiento tan poderoso lo puede hacer peligroso. El conocimiento bioquímico tiene grandes objetivos como progresar en la terapia génica, por ejemplo contra el cáncer o el VIH, desarrollar alimentos transgénicos más eficientes, resistentes, seguros y saludables, aplicar los conocimientos bioquímicos a la lucha contra el cambio climático y la extinción de especies, generar nuevos fármacos más eficientes, investigar y buscar dianas de las enfermedades, conocer los patrones de expresión génico, generar nuevos materiales, mejorar la eficiencia de la producción industrial…
4.6. POLÍMEROS El poliestireno es un polímero formado a partir de la unidad repetitiva conocida como estireno. Los polímeros son macromoléculas (generalmente orgánicas) formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeras. Un polímero no es más que una sustancia formada por una cantidad finita de macromoléculas que le confieren un alto peso molecular que es una característica representativa de esta familia de compuestos orgánicos. Posteriormente observaremos las reacciones que dan lugar a esta serie de sustancias, no dejando de lado que las reacciones que se llevan a cabo en la polimerización son aquellas que son fundamentales para la obtención de cualquier compuesto orgánico. El almidón, la
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celulosa, la seda y el ADN son ejemplos de polímeros naturales, entre los más comunes de estos y entre los polímeros sintéticos encontramos el nailon, el polietileno y la baquelita.
Polimerizacion.
La reacción por la cual se sintetiza un polímero a partir de sus monómeros se denomina polimerización. Según el mecanismo por el cual se produce la reacción de polimerización para dar lugar al polímero, ésta se clasifica como "polimerización por pasos" o como "polimerización en cadena". En cualquier caso, el tamaño de la cadena dependerá de parámetros como la temperatura o el tiempo de reacción, teniendo cada cadena un tamaño distinto y, por tanto, una masa molecular distinta, de ahí que se hable de masa promedio del polímero.
4.7. EVALUACIÓN DEL IMPACTO AMBIENTAL.
Se entiende por impacto ambiental el efecto que produce una determinada acción humana sobre el medio ambiente en sus distintos aspectos. El concepto puede extenderse, con poca utilidad, a los efectos de un fenómeno natural catastrófico. Técnicamente, es la alteración de la línea de base, debido a la acción antrópica o a eventos naturales. Las acciones humanas, motivadas por la consecución de diversos fines, provocan efectos colaterales sobre el medio natural o social. Mientras los efectos perseguidos suelen ser positivos, al menos para quienes promueven la actuación, los efectos secundarios pueden ser positivos y, más a menudo, negativos. La evaluación de impacto ambiental (EIA) es el análisis de las consecuencias predecibles de la acción; y la Declaración de Impacto ambiental (DIA) es la comunicación previa, que las leyes ambientales exigen bajo ciertos supuestos, de las consecuencias ambientales predichas por la evaluación.
Clases de impactos ambientales. La preocupación por los efectos de las acciones humanas surgió en el marco de un movimiento, el conservacionista, en cuyo origen está la preocupación por la naturaleza silvestre, Progresivamente esta preocupación se fundió con la igualmente antigua por la salud y el bienestar humanos, afectados a menudo negativamente por el desarrollo económico y urbano; ahora nos referimos a esta dimensión como medio social.
Impacto ambiental a nivel mundial. La mayor parte de la energía utilizada en los diferentes países proviene del petróleo y del gas natural. La contaminación de los mares con petróleo es un problema que preocupa desde hace muchos años a los países marítimos, sean o no productores de petróleo, así como a las empresas industriales vinculadas a la explotación y comercio de este producto. Desde entonces, se han tomado enormes previsiones técnicas y legales internacionales para evitar o disminuir la ocurrencia de estos problemas. Los derrames de petróleo en los mares, ríos y lagos producen contaminación ambiental: daños a la fauna marina y aves, vegetación y aguas. Además, perjudican la pesca y las actividades recreativas de las playas. Se ha descubierto que pese a la volatilidad de los hidrocarburos, sus características de persistencia y toxicidad continúan teniendo efectos fatales debajo del agua. Pero, no son los derrames por accidentes en los tanqueros o barcos que transportan el petróleo, en alta mar o cercanía de las costas, los únicos causantes de la contaminación oceánica con hidrocarburos. La mayor proporción de la contaminación proviene del petróleo industrial y motriz, el aceite quemado que llega hasta los océanos a través de los ríos y quebradas. Se estima que en escala mundial, 3.500 millones de litros de petróleo usado entran en ríos y océanos y 5.000 millones de litros de petróleo crudo o de sus derivados son derramados. Los productos de desechos gaseosos expulsados en las refinerías ocasionan la alteración, no sólo de la atmósfera, sino también de las aguas, tierra, vegetación, aves y
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otros animales. Uno de los contaminantes gaseosos más nocivo es el dióxido de azufre, daña los pulmones y otras partes del sistema respiratorio. Es un irritante de los ojos y de la piel, e incluso llega a destruir el esmalte de los dientes. Impacto ambiental al medio natural: Impacto de carácter irreversible provocado por una empresa extractora de yeso en El Cajón del Maipo-Chile, ruta G-25, pre-cordillera de Santiago de Chile. Otras de las fuentes alternativas de energía desarrollada es la radioactiva que genera muchos desechos o contaminantes radioactivos, provenientes de las reacciones nucleares, o de yacimientos de minerales radioactivos, de las plantas donde se refinan o transforman estos minerales, y de las generadoras de electricidad que funcionan con materia radiactiva. Todavía no se conoce un método para eliminar estos desechos sin riesgo para el hombre. Otro de los impactos que genera la explotación de los recursos energéticos es la contaminación acústica, pues el ruido producido por la industria, disminuye la capacidad auditiva y puede afectar el sistema circulatorio, y aún, cuando los trabajadores de estas industrias ya están acostumbrados al ruido por escucharlos en forma prolongada, les genera daños mentales. La minería y el procesamiento de minerales a menudo producen impactos ambientales negativos sobre el aire, suelos, aguas, cultivos, flora y fauna, y salud humana. Además pueden impactar, tanto positiva como negativamente, en varios aspectos de la economía local, tales como el turismo, la radicación de nuevas poblaciones, la inflación, etc. Otra cuestión a tener en cuenta con respecto al impacto medioambiental de la obtención y consumo energéticos es la emisión de gases de efecto invernadero, como el CO2, que están provocando el Cambio Climático. Se trata no sólo de las emisiones producidas por la combustión durante el consumo -como por ejemplo al quemar gasolina al utilizar un coche para el trasporte de personas y mercancías-, sino también de la obtención de energía en centrales térmicas -en las que se genera electricidad por la combustión fundamentalmente de carbón. El uso cada vez más generalizado de energías renovables sustitutivas es la mejor forma de reducir este impacto negativo.
Impactos ambientales de la guerra y el uso bélico del uranio empobrecido. Ni los gobiernos ni las fuerzas armadas han dimensionado los impactos humanitarios, ambientales y económicos que están generando las guerras modernas en forma inmediata y en el largo plazo. Las guerras recientes no sólo han generado mayor cantidad de víctimas civiles, sino además, crecientes e irreversibles impactos ambientales. Cuando cada bomba explota, genera temperaturas sobre 1.000 °C, lo que junto a la fuerza explosiva no sólo aniquila infraestructura, flora, fauna y personas, sino destruye la estructura y composición de los suelos, los que demoran cientos y miles de años en regenerarse. A los terribles daños de las bombas, explosiones e incendios que le siguen, están los impactos de las explosiones de los "objetivos estratégicos" tales como los complejos industriales. En la reciente guerra de los Balcanes, el bombardeo de una fábrica de plásticos y otra de amoníaco lanzó a la atmósfera dioxinas y tóxicos como cloro, bicloroetileno, cloruro de vinilo y otros de impactos directos sobre la vida humana; pero además con impactos residuales en el ambiente. En el caso de Irak hay que considerar los impactos del derramamiento y la quema intencional de petróleo. El incendio de los pozos petroleros está generando grave contaminación atmosférica, terrestre, de aguas superficiales y subterráneas. Los impactos sobre ecosistemas y la salud de la población son gravísimos por los niveles letales de dióxido de carbono, azufre e hidrocarburos orgánicos volátiles, por sólo nombrar algunos. Los incendios en 500 pozos de petróleo durante la anterior guerra del Golfo lanzaron a la atmósfera 3 millones de toneladas de humo contaminante. La nube cubrió 100 millones de kilómetros cuadrados,
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afectando el territorio de 4 países, lo cual provocó enfermedades respiratorias a millones de personas. Los derrames mataron a más de 30.000 aves marinas, contaminaron 20% de los manglares y la actividad pesquera se arruinó. Impactos sobre el medio social. Los impactos sobre el medio social afectan a distintas dimensiones de la existencia humana. Se pueden distinguir:
Efectos económicos. Aunque los efectos económicos de las acciones suelen ser positivos desde el punto de vista de quienes los promueven, pueden llevar aparejadas consecuencias negativas, que pueden llegar a ser predominantes sobre segmentos de población desprovistos de influencia.
Efectos socioculturales. Alteraciones de los esquemas previos de relaciones sociales y de los valores, que vuelven obsoletas las instituciones previamente existentes. El desarrollo turístico de regiones subdesarrolladas es ejemplar en este sentido. En algunos casos, en países donde las instituciones políticas son débiles o corruptas, el primer paso de los promotores de una iniciativa económica es la destrucción sistemática de las instituciones locales, por la introducción del alcoholismo o la creación artificiosa de la dependencia económica, por ejemplo distribuyendo alimentos hasta provocar el abandono de los campos. Los efectos culturales suelen ser negativos, por ejemplo la destrucción de yacimientos arqueológicos por las obras públicas, o la inmersión de monumentos y otros bienes culturales por los embalses. Por el contrario, un efecto positivo sería el hallazgo de restos arqueológicos o paleontológicos durante las excavaciones y los movimientos de tierra que se realizan en determinadas obras. Efectos tecnológicos. Innovaciones económicas pueden forzar cambios técnicos. Así, por ejemplo, uno de los efectos de la expansión de la agricultura industrial es la pérdida de saberes tradicionales, tanto como de estirpes (razas y cultivares), y la dependencia respecto a ―inputs‖ industriales y agentes de comercialización y distribución.
Nueva tecnología, nuevos problemas: Cada día, surgen nuevos dispositivos tecnológicos que nos facilitan el día a día y nos ofrecen un mayor número de servicios, pero seguro que no nos paramos a pensar lo que sucede con los artefactos tecnológicos que ya no usamos, que han quedado en desuso y se han convertido en chatarra. Desde lo más simple, pasando por lo cotidiano, hasta nuestro mundo digital, producen un gran impacto en el medio ambiente. Móviles, GPS, PDAs, ordenadores, portátiles, grabadores, iPods… y así una larga lista, han facilitado nuestras funciones, pero una vez que los dejamos de utilizar se convierten en parte de la contaminación tecnológica. Cada uno de estos accesorios ha sido construido con plaquetas que contienen pequeñas cantidades de plomo, que arrojadas al suelo y no dándoles un tratamiento adecuado pueden llegar a causar contaminaciones de grandes consecuencias ecológicas. La solución de este problema no nos es muy lejana, pues no es demasiado complicada la separación adecuada de desechos; utilizando los come-baterías para arrojar viejas baterías que son enormemente contaminantes y separando todos los artefactos tecnológicos para luego poder llevarlos a un centro de reciclado especializado o incluso fábricas, donde se pueden volver a reutilizar esas placas sin tener que finalizar en un basurero a cielo abierto, siendo incinerados y dañando enormemente nuestra capa de ozono. Para que podamos hacernos una idea de la contaminación que la tecnología aporta, vamos a fijarnos en un artículo de Jaime Escobar Aguirre, experto en informática, que apoyándose en unos estudios de la consultora Gartner, concluyó que ―la industria de la información y las comunicaciones contaminaban igual que la aviación comercial. Los niveles emitidos de dióxido de carbono son iguales entre ambas industrias, de lo que se deduce que la industria de la información es responsable del 2% del dióxido de carbono emitido por todo el planeta‖. Si no ponemos un rápido remedio a esto, las consecuencias son incalculables. Si hoy día sufrimos las sofocantes subidas de temperaturas por el cambio climático, causa pavor imaginar lo que sucederá
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cuando las aguas estén contaminadas, el cielo desprotegido y los rayos ultravioleta caigan directamente sobre nosotros. Riesgos derivados de la contaminación tecnológica: Los productos químicos utilizados en la industria tecnológica, como por ejemplo la electrónica, afectan la salud de los trabajadores expuestos a ellos en el proceso de fabricación y manipulación, tales como problemas respiratorios y la afectación de algunos órganos del cuerpo, su uso provoca la contaminación del entorno en el que interactúa la industria. Quizás algunos de los componentes más contaminantes en el mundo tecnológico actual sean las pilas y baterías, utilizadas en todos los aparatos electrónicos de consumo masivo. La diversidad y tecnología de las baterías han sido de tal magnitud que se han convertido en el componente más conocido y utilizado en cualquier aparato de consumo. Algunos retardantes de fuego bromados son usados en tarjetas de circuito impreso y cubiertas de plástico, las cuales no se desintegran fácilmente y se acumulan en el ambiente. La exposición a largo plazo a estos compuestos puede afectar e interferir con algunas funciones hormonales del cuerpo. El mercurio que se utiliza en los monitores de pantalla plana como dispositivo de iluminación puede dañar funciones cerebrales sobre todo el desarrollo temprano. Compuestos de cromo hexavalente son utilizados en la producción de cubiertas de metal para los aparatos electrónicos y son altamente tóxicos y cancerígenos para los humanos. El PVC es un plástico que contiene cloro; se utiliza en algunos productos electrónicos para aislar cables y alambres. Estos químicos son altamente persistentes en el ambiente y son muy tóxicos incluso en muy bajas concentraciones.
RESUMEN DE LA UNIDAD. En esta unidad se hace referencia a un resumen por punto tratado donde se menciona la importancia de la química orgánica y las características de las funciones orgánicas tanto en su parte experimental como aplicativa en el diario vivir y finalmente se hace una síntesis del impacto ambiental que esta causa en el planeta y en particular en nuestro contexto de manera de tratar de reflexionar de nuestra actuación frente a este problema
LECTURAS COMPLEMENTARIAS.
“Conozca su impacto sobre el planeta según su modo de vida, incluye medidas para reducir este impacto”.
“Cálculo de la huella ecológica”
GLOSARIO DE TÉRMINOS.
- Contaminantes antropogénicos: Contaminantes cuyo origen es a consecuencia de las actividades humanas.
- Efectos bélicos: A consecuencia de la guerra. - Estequiometria: Parte de la química que se encarga de las relaciones cuantitativas de las
sustancias y de sus reacciones, tanto en peso como en volumen. - Homo sapiens: Nombre científico de la especie humana (Homo sapiens). - Inversión térmica: Descenso drástico de la temperatura ambiental como consecuencia del
alto grado de contaminación regularmente por smog u Ozono. - Lluvia ácida: Agua pluvial contaminada con pH ácido, regularmente proveniente de las
reacciones que se realizan en la atmósfera con contaminantes como óxidos de azufre o de nitrógeno.
- Mol: Unidad de medida de las sustancias químicas correspondiente a la suma de las masas moleculares de los elementos que contiene expresada en gramos.
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- Reactivo limitante: Reactivo que se encuentra presente en un proceso químico y que debido a que es el primero que se agota por haber reaccionado, detiene la reacción. Reactivo que detiene la reacción por agotarse primero en una reacción química.
BIBLIOGRAFÍA.
- BURNS Ralph A. (1996) Fundamentos de Química, México Editorial Pearson Educación. 2ª Edición.
- Caballero Hurtado Agustín. (2006) Cómo resolver problemas de estequiometría. Editorial Filarias.
- Delgadillo Camacho Angel. Nomenclatura Química Orgánica. La Paz - Bolivia. - Goñy Galarza. Química General. Lima - Perú. Editorial Sigma. - HILL John W. y Kolb Doris K. (1999) Química para el nuevo milenio. México. Editorial
Pearson, octava edición. - Lozano Lucena J. J. y Rodríguez Rigual, C. (1992) Química 3: estequiometría. Editorial
Pearson Alhambra. - Muller Ara Blesa Antonio. (1965) Fundamentos de estequiometría. Editorial Acribia, S.A. - Quisbert Maidana Gonzalo. (2007) Química Orgánica. La Paz - Bolivia. Gráfica Jivas.
