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Tendencias de la nanotecnologia: materiales
y sus caracteristicas
La nanotecnología permite trabajar y
manipular las estructuras moleculares y sus átomos. Esta posibilidad nos lleva
a fabricar materiales y máquinas a partir del reordenamiento de átomos y
moléculas, la nanotecnología provocará una segunda revolución
industrial; son un mercado floreciente y en la actualidad se emplean en
multitud de tecnologías y productos de consumo.
CARACTERÍSTICAS:
-Colaboración de múltiples ciencias:
biología, física, química, informática, ingeniería, medicina… -Se trata de fabricar productos tangibles
-Elevados
costes de equipamiento, acceso necesario a propiedad intelectual, conocimientos
muy especializados.
Efectos
perjudiciales que podrían tener las nanotecnologías
Algunas nano partículas tienen
las mismas dimensiones que determinadas moléculas biológicas y pueden
interactuar con ellas. Pueden moverse dentro del cuerpo humano y de
otros organismos, pasar a la sangre y entrar en órganos como el hígado o el
corazón, y podrían también atravesar membranas celulares. Preocupan
especialmente las nano partículas insolubles, ya que pueden permanecer en el
cuerpo durante largos periodos de tiempo.
Las nano partículas se emplean
como vehículo para que los fármacos lleguen en mayor cantidad a
las células deseadas, para disminuir los efectos secundarios del
fármaco en otros órganos o para ambas cosas. Sin embargo, en ocasiones no es
fácil diferenciar la toxicidad del fármaco de la toxicidad de la nano
partícula.
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El producto de solubilidad
De un compuesto es el producto de las
concentraciones molares de sus iones en una disolución saturada, donde cada una
de ellas se encuentra elevada a un exponente que exponente que coincide con su
coeficiente este quiométrico en la ecuación deequilibriode
disolución.
El producto de solubilidad nos hace poder predecir que ocurrirá en
una disolución acuosa en la cual se encuentran presentes iones de un compuesto
en una concentración determinada. Definimos el concepto de producto iónico,
representado con la letra Q, como, el producto de las concentraciones molares
de los iones que están presentes en una disolución, elevadas a sus coeficientes
estequiométricos correspondientes en cada caso.
Por ejemplo:
Una disolución acuosa de BaSO4 a una temperatura de 25ºC, y como es una
disolución saturada se establece el equilibrio:
BaSO4 (s) ↔ Ba^2+ (aq) + SO4^2- (aq)
El producto de solubilidad, Ks, será:
Ks = [Ba^2+].[ SO4^2-] = 1.1 . 10^-10
mol^2.L^-2
· CuandoQ < Ks: La disolución se encuentra insaturada, pudiendo disolverse aún más
sólido en ella. Se ve favorecido el desplazamiento hacia la derecha en el
equilibrio de solubilidad.
· CuandoQ= Ks: La disolución se encuentra saturada, y por tanto el sistema se
encuentra en equilibrio.
· CuandoQ> Ks: Se ve favorecido el desplazamiento hacia la izquierda del
equilibrio de la solubilidad, produciéndose la precipitación del exceso de la
concentración, hasta que Q sea igual a Ks. Información aquí.
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Entendemos por constante de ionización (K)
Una
vez establecido el equilibrio iónico, es el producto de la concentración molar
de los iones dividido por la concentración molar de las moléculas no ionizadas.
Los
electrolitos débiles son aquellos que se disocian muy poco. Son los ácidos
débiles y bases débiles. Es decir que la mayoría de sus moléculas no se separan
en iones. Al contrario sucede con los electrolitos fuertes que se separan
completamente en iones, tal es el caso de todas las sales, ácidos fuertes y
bases fuertes.
Bases
fuertes: Hidróxido de sodio – Hidróxido de Calcio (los de los metales del grupo
1 y 2 de la tabla periódica).
Ácido
débil: Ácido acético.
Base
débil: Hidróxido de amonio.
Los
electrolitos débiles poseen la llamada constante de ionización. Es un valor que
indica o da idea del grado de ionización o disociación iónica que tendrá ese
compuesto. Los electrolitos fuertes no tienen constante de ionización ya que al
ser fuertes se disocian en un 100%. Los valores de estas constantes son
enormemente bajos. Son del orden de 10-5 (10 a la menos 5) o menores. Estos
varían algo con la temperatura. La constante de ionización del ácido acético es
1,8 x 10 -5. Veamos este ejemplo.
CH3COOH
↔
CH3COO– + H+
Aquí
vemos como el ácido acético (izquierda), se disocia en sus dos iones (derecha).
El anión acetato y el catión hidrógeno, también llamado protón. La expresión de
la constante de ionización es:
K
= [ CH3COO--]. [ H+]/[ CH3COOH ]
Como
vemos, esta constante es igual al producto de la concentración molar de los
iones dividido la concentración molar del ácido. El hecho de que el valor de
esta constante sea tan pequeño significa que el numerador de esta expresión es
muy chico, lo cual a su vez indica que la cantidad de iones generados es muy
baja. Por este motivo son electrolitos débiles. Este modelo se repite en todos
los electrolitos débiles.
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Importancia de la ley de Le Chatelier en la vida de los alpinistas
La fisiología del cuerpo humano está muy influida por las condiciones del medio
ambiente. Así, por ejemplo, cuando los alpinistas pretenden escalar montañas
como el Everest o el famoso K2, picos de la cordillera del Himalaya, necesitan
estar varias semanas aclimatándose a la altitud, pues de lo contrario pueden
sufrir fuertes dolores de cabeza, náuseas, cansancio externo y, en casos graves,
la víctima puede entrar en coma y sobrevenirle la muerte.
Sin embargo, los habitantes de esos lugares pueden vivir normalmente, de ahí
que las expediciones vayan siempre acompañadas de sherpas, los habitantes del
Himalaya. Esto se debe a la hipoxia, que es un déficit elevado de oxígeno
en los tejidos del organismo.
A grandes altitudes la riqueza del aire en oxígeno es menor que a nivel del
mar. Por ejemplo, a una altura de 7.000 metros la presión parcial del oxígeno
es de 0,07 atm frente a las 0,2 atm al nivel del mar.
El principio de Le Chatelier nos dice que una disminución en la
concentración del oxígeno provoca una disminución de la producción de
oxihemoglobina, complejo oxigenado de la hemoglobina que es el responsable del
transporte del oxígeno a los tejidos
puede ser definida como donde {A} es laactividady
α elcoeficiente de actividad(cantidad
adimensional) de la sustancia química A y así sucesivamente. Es solo una
convención el poner las actividades de losproductoscomo
numerador y de losreactivoscomo
denominadores.
Para el equilibrio en losgases,
la actividad de un componente gaseoso es el producto de los componentes de lapresión
parcialy
del coeficiente defugacidad.
Para el equilibrio en unasolución,
la actividad es el producto de laconcentracióny
el coeficiente de actividad. Es una práctica común el determinar las constantes
de equilibrio en un medio de fuerzas iónicas altas. Bajo esas circunstancias, el
cociente de los coeficientes de actividad son constantes efectivamente y la
constante de equilibrio es tomada para ser un cociente de concentración.
¿De qué depende que una reacción sea rápida o lenta? ¿Cómo se
puede modificar la velocidad de una reacción? Una reacción química se produce
mediante colisiones eficaces entre las partículas de los reactivos, por tanto,
es fácil deducir que aquellas situaciones o factores que aumenten el número de
estas colisiones implicarán una mayor velocidad de reacción. Veamos algunos de
estos factores.
Para comprender los factores que afectan
o causan el desplazamiento del equilibrio químico, hay que partir del principio
de Le Châtelier que Fue formulado por el químico francés Henry Louis Le
Châtelier en el año de 1888 Y y que establece lo siguiente:
Principio de Le
Châtelier
Este principio
establece que si un sistema en equilibrio es sometido a una perturbación o una
tensión, el sistema reaccionará de tal manera que disminuirá el efecto de la
tensión. De acuerdo a este principio, pueden haber variaciones de
concentración, cambios de temperatura o presión.
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Cinética.
El objetivo de la cinética es el estudio de la rapidez de reacción, de
los factores que la afectan y el establecimiento del mecanismo mediante el cual
se efectúa la reacción.
Se produce una reacción química se
puede expresar en términos de la variación de la cantidad de materia de un
reactivo por unidad de tiempo. Varía con las concentraciones de los reactivos.
Cuando se expresa la relación entre velocidad de reacción de los productos y
velocidad de reacción de los reactivos, se obtiene la llamada "constante
de equilibrio" de la reacción. Tantos las velocidades señaladas como la
constante obtenida son en realidad resultantes de un análisis termodinámico de la
reacción.
En general, las reacciones pueden clasificarse en:
- irreversibles
- reversibles endotérmicas
- reversibles exotérmicas
dependiendo si se realizan en sistemas abiertos,
semicerrados o cerrados.
Un mecanismo de reacción es un conjunto de etapas
(ó reacciones ) elementales mediante las cuales se postula que transcurre una
reacción química. La descripción de un mecanismo supone el uso de varios
conceptos como: etapa elemental, molecularidad, intermedios, catalizador,
número estequiométrico, etc. Una vez planteado el mecanismo tenemos que ser
capaces de llegar, a partir del mismo, a una ecuación cinética susceptible de
comprobación experimental.
Es la energía que
necesita un sistema antes de poder iniciar un determinado proceso. La energía
de activación suele utilizarse para denominar la energía mínima necesaria para
que se produzca una reacción química dada. Para que ocurra una reacción entre dos
moléculas, éstas deben colisionar en la orientación correcta y poseer una
cantidad de energía mínima. A medida que las moléculas se aproximan, sus nubes
de electrones se repelen. Esto requiere energía (energía de activación) y
proviene del calor del sistema, es decir de la energía traslacional,
vibracional, etcétera de cada molécula.
Ocurre cuando, en una reacción reversible, la
velocidad de la reacción directa es igual a la velocidad de la reacción
inversa. Una vez alcanzado el estado de equilibrio, las concentraciones de
reactivos yproductospermanecen constantes.
Es la disposición particular de los átomos en la
cima de la barrera energética. Si representamos su energía frente a todas las
coordenadas del sistema, generalmente veremos cómo es un mínimo energético en
todas ellas, menos en la coordenada de reacción -que lleva de los reactivos a
los productos-, en la que es un máximo.
lunes, 3 de diciembre de 2012
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Celda Galvanica son celdas electroquímicas en las cuales las
reacciones espontáneas de óxido-reducción producen energía eléctrica. Las dos
mitades de la reacción de óxido reducción, se encuentran separadas, por lo que
la transferencia de electrones debe efectuarse a través de un circuito externo.
Celda Electrolítica son aquellas en las cuales la energía eléctrica
que procede de una fuente externa provoca reacciones químicas no espontáneas
generando un proceso denominado electrólisis. Las celdas electrolíticas constan
de un recipiente para el material de reacción, dos electrodos sumergidos dentro
de dicho material y conectados a una fuente de corriente directa.
Funcionamiento celdas electrolíticas
Se aplica un
potencial eléctrico externo y se
fuerza a que ocurra
una reacción redox noespontánea.
• La reducción
ocurre en el cátodo y la oxidación
en el ánodo (igual
que en las pilas).
• En las celdas
electrolíticas el cátodo es negativo
y el ánodo es
positivo (al revés que en las pilas).
CSe aplica un potencial eléctrico externo y se
fuerza a que ocurra
una reacción redox noespontánea.
• La reducción
ocurre en el cátodo y la oxidación
en el ánodo (igual
que en las pilas).
• En las celdas
electrolíticas el cátodo es negativo
y el ánodo es
positivo (al revés que en las pilas).
Celda voltaica Una celda voltaica aprovecha la electricidad de
la reacción química espontánea para encender una lamparita, es decir, convierte
energía potencial química en energía eléctrica. O SEA, PRODUCE ENERGÍA
ELÉCTRICA.
Una celda voltaica es un dispositivo para
producir energía eléctrica a partir de una reacción redox. La principal
característica de la celda voltaica es la pared porosa que separa las dos
soluciones evitando que se mezclen. La pared es porosa para que los iones la
atraviesen.
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La
electroquímica
Estudia los cambios químicos que producen una corriente
eléctrica y la generación de electricidad mediante reacciones químicas. Es por
ello, que el campo de la electroquímica ha sido dividido en dos grandes
secciones. La primera de ellas es laElectrólisis, la cual se refiere a las reacciones químicas que
se producen por acción de una corriente eléctrica. La otra sección se refiere a
aquellas reacciones químicas que generan una corriente eléctrica, éste proceso
se lleva a cabo en unacelda
o pila galvánica.
Celdas
electrolíticas
Son aquellas en las cuales la energía eléctrica que
procede de una fuente externa provoca reacciones químicas no espontáneas
generando un proceso denominado electrólisis. Lasceldas electrolíticasconstan de un recipiente para el material de
reacción, dos electrodos sumergidos dentro de dicho material y conectados a una
fuente de corriente directa.
Celdas
voltaicas o galvánicas
Son
celdas electroquímicas en las cuales las reacciones espontáneas de
óxido-reducción producen energía eléctrica. Las dos mitades de la reacción de
óxido reducción, se encuentran separadas, por lo que la transferencia de
electrones debe efectuarse a través de un circuito externo.
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Termodinámica
La Termodinámica es la rama de la Física que estudia a nivel macroscópico las
transformaciones de la energía, y cómo esta energía puede convertirse en
trabajo (movimiento). Históricamente, la Termodinámica nació en el siglo XIX de
la necesidad de mejorar el rendimiento de las primeras máquinas térmicas
fabricadas por el hombre durante la Revolución Industrial.
La Termodinámica clásica (que es
la que se tratará en estas páginas) se desarrolló antes de que la estructura
atómica fuera descubierta (a finales del siglo XIX), por lo que los resultados
que arroja y los principios que trata son independientes de la estructura atómica y molecular de la materia.
El punto de partida de la mayor
parte de consideraciones termodinámicas son las llamadas leyes o principios de la Termodinámica.
En términos sencillos, estas leyes definen cómo tienen lugar las
transformaciones de energía. Con el tiempo, han llegado a ser de las leyes más
importantes de la ciencia.
Antes de entrar en el estudio de
los principios de la termodinámica, es necesario introducir algunas nociones
preliminares, como qué es un sistema
termodinámico, cómo se describe, qué tipo de transformaciones puede
experimentar, etc. Estos conceptos están resumidos en el siguiente cuadro:
Calor de reacción El calor de reacción, Qr se define como la energía absorbida por un sistema cuando los productos de una reacción se llevan a la misma temperatura de los reactantes. Para una definición completa de los estados termodinámicos de los productos y de los reactantes, también es necesario especificar la presión. Si se toma la misma presión para ambos, el calor de reacción es igual al cambio de entalpía del sistema, DH r Calor de formación de un compuesto químico es la variación de entalpía de la reacción de formación de dicho compuesto a partir de las especies elementales que lo componen, en su forma más abundante. Por ejemplo, la entalpía de formación del agua, formada por hidrógeno y oxígeno, sería equivalente a la entalpía de reacción de hidrógeno diatómico y oxígeno diatómico. Calor de solución
Cuando se disuelve un soluto en un disolvente, en general, se produce un intercambio de energía que se
manifiesta en un aumento o disminución de la temperatura del sistema. El calor absorbido o liberado se
denomina calor de disolución. Si el proceso de disolución es exotérmico, se libera calor y la temperatura
del sistema aumenta. Si el proceso es endotérmico, se absorbe calor y la temperatura del sistema
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LEY DE
BOYLE
Robert
Boyle investigó el comportamiento de una cantidad fija de gas sometido a
diversas presiones, y encontró una relación muy sencilla entre su volumen y
su presión:
"El volumen (V) de una masa definide de un gas, a temperatura (T)
constante, es inversamente proporcional a la presión aplicada (P) sobre
él"; la expresión matemática de esta ley es:
V=k(1/P), donde k es una constante de proporcionalidad.
LEY DE
CHARLES
El
físico francés Jacques Charles (1763-1823) descubrió la relación existente
entre el volumen y la temperatura de un gas, siempre y cuando su presión se
mantenga invariable. Para ello utilizó el mismo diseño empleado un siglo
antes por Boyle, pero ahora variando la temperatura y manteniendo constante
la presión.
A presión constante, el volumen ocupado por una masa definida de una muestra
de gas es directamente proporcional a la temperatura (kelin o absoluta).
Matemáticamente esta ley puede expresarse de la siguiente forma:
V=kT donde k es una constante de proporcionalidad; a presión y cantidad de
materia (n) constantes.
LEY DE
GAY LUSSAC
A
volumen constante, la presión de una masa fija de un fija de un gas dado es
directamente proporcional a la temperatura kelvin. La representación
matemática de esta ley es:
k=P/T ó P=kT, donde k es una constante de proporcionalidad.
Para un estado inicial (Pi/Ti=k)y un estado final (Pf/Tf=k), se cumple que:
PiTf=Pf/Ti
Ecuación general del estado gaseoso
La combinación de la Ley de Boyle y la Ley de Charles nos permite establecer una relación matemática entre el volumen, temperatura y presión de una muestra determinada de gas. Esta relación queda formulada así:
"La razón entre el producto Presión - Volumen y la Temperatura es una constante".
esta masa gaseosa puede expresarse en términos de una condición inicial y una condición final:
que representa la ecuación general del estado gaseoso y en ella están incluídos los tres parámetros que determinan el comportamiento de los gases, donde:
P se expresa en atm, mmHg o psig
T se expresa en kelvins
V se expresa en litros, sus múltiplos y submúltiplos, cm3.
