2.-Unidad VI Cinética Química y Nanotecnología

2.1.-Conceptos básicos de: cinética química, velocidad de reacción, mecanismo de reacción, energía de activación, equilibrio químico y complejo activado.

Cinética química: Orden de reacción. Expresiones de velocidad en sistemas dinámicos. Relación entre la constante de equilibrio y la cinética. Cómo medir la velocidad y determinar las constantes de velocidad. El estudio de las velocidades de las reacciones químicas, recibe el nombre de cinética química.

Velocidad de reacción: La rapidez con la que se produce una transformación química.

Mecanismo de reacción: La descripción detallada de una reacción química paso a paso es el mecanismo de reacción.

Energía de activación: es la energía necesaria en un sistema antes de poder iniciar un determinado proceso.

Equilibrio químico: Es una reacción que nunca llega a completarse, pues se produce simultáneamente en ambos sentidos (los reactivos forman productos, y a su vez, éstos forman de nuevo reactivos). Es decir, se trata de un equilibrio dinámico.

Complejo activado: 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.

2.2.-Conceptos básicos de: cinética química, velocidad de reacción, mecanismo de reacción, energía de activación, equilibrio químico y complejo activado.

Cinética química: Orden de reacción. Expresiones de velocidad en sistemas dinámicos. Relación entre la constante de equilibrio y la cinética. Cómo medir la velocidad y determinar las constantes de velocidad. El estudio de las velocidades de las reacciones químicas, recibe el nombre de cinética química.

Velocidad de reacción: La rapidez con la que se produce una transformación química.

Mecanismo de reacción: La descripción detallada de una reacción química paso a paso es el mecanismo de reacción.

Energía de activación: es la energía necesaria en un sistema antes de poder iniciar un determinado proceso.

Equilibrio químico: Es una reacción que nunca llega a completarse, pues se produce simultáneamente en ambos sentidos (los reactivos forman productos, y a su vez, éstos forman de nuevo reactivos). Es decir, se trata de un equilibrio dinámico.

Complejo activado: 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 rea

2.3.-Factores que afectan la velocidad de reacción química y factores que afectan el equilibrio químico

·    Factores que afectan la velocidad de reacción química: 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.

Factores que afectan el equilibrio químico: 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, puede haber variaciones de concentración, cambios de temperatura o presión.

2.4.-Ley de Le Chatelier y constante de equilibrio

Ley de Le Chatelier: un estado de equilibrio químico es mantenido en tanto no se alteren las condiciones del sistema. Cuando se modifica algún parámetro, como por ejemplo, la presión, la temperatura o la concentración de algunas de las especies en equilibrio, este se traslada en cierta dirección (hacia los reactivos o hacia los productos) hasta alcanzar un nuevo estado de equilibrio.

Constante de equilibrio: Un equilibrio químico es la situación en que la proporción entre las cantidades de reactivos y productos en una reacción química se mantiene constante a lo largo del tiempo. 

Constante de ionización: es la constante de equilibrio de una disociación iónica, definida inmediatamente por la ecuación de la constante de equilibrio en función de las concentraciones molares correspondientes. Por tanto, la constante de ionización es igual al producto de las concentraciones iónicas dividido por la concentración de la sustancia sin disociar. Las constantes de ionización varían apreciablemente con la temperatura. A menos que se diga otra cosa se sobrentenderá que lo temperatura es de 25°C.

2.5.-Producto de solubilidad

Producto de solubilidad: 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 estequiométrico en la ecuación de equilibrio de disolución.

2.6.-Tendencias de la Nanotecnología, materiales y características.

Tendencias de la Nanotecnología, materiales y características:

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, etc.

·         Se trata de fabricar productos tangibles.

·         Elevados costes de equipamiento, acceso necesario a propiedad intelectual, conocimientos muy especializados.

Materiales inteligentes (smart materials): En términos generales, un tipo de materiales, una nueva generación de materiales derivadas de la nanotecnología, cuyas propiedades pueden ser controladas y cambiadas a petición.

Es una de las principales líneas de investigación de la nanociencia con aplicaciones a muchas industrias (desde las textiles a la industria de la Defensa).

Los materiales inteligentes tienen la capacidad de cambiar su color, forma, o propiedades electrónicas en respuesta a cambios o alteraciones del medio o pruebas (luz, sonido, temperatura, voltaje). Estos materiales podrían tener atributos muy potentes como la autoreparación.

Relacionados con esto están los súper materiales (super materials) con extraordinarias propiedades. La capacidad de crear componentes con precisión atómica puede llevar a estructuras moleculares con interesantes características tales como una alta conductividad eléctrica o potencia.

1.-Unidad V Conceptos Generales de Gases, Termoquímica y Electroquímica

1.1.-Conceptos básicos de: gas como estado de agregación, gas ideal, gas real, propiedades críticas y factor de compresibilidad.

Concepto de Gas Ideal y diferencia entre Gas Ideal y Real.

Los Gases que se ajusten a estas suposiciones se llaman gases ideales y aquellas que no se les llaman gases reales, o sea, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y otros.

1. - Un gas esta formado por partículas llamadas moléculas. Dependiendo del gas, cada molécula esta formada por un átomo o un grupo de átomos. Si el gas es un elemento o un compuesto en su estado estable, consideramos que todas sus moléculas son idénticas.

2. - Las moléculas se encuentran animadas de movimiento aleatorio y obedecen las leyes de Newton del movimiento. Las moléculas se mueven en todas direcciones y a velocidades diferentes. Al calcular las propiedades del movimiento suponemos que la mecánica newtoniana se puede aplicar en el nivel microscópico. Como para todas nuestras suposiciones, esta mantendrá o desechara, dependiendo de sí los hechos experimentales indican o no que nuestras predicciones son correctas.

3. - El número total de moléculas es grande. La dirección y la rapidez del movimiento de cualquiera de las moléculas puede cambiar bruscamente en los choques con las paredes o con otras moléculas. Cualquiera de las moléculas en particular, seguirá una trayectoria de zigzag, debido a dichos choques. Sin embargo, como hay muchas moléculas, suponemos que el gran numero de choques resultante mantiene una distribución total de las velocidades moleculares con un movimiento promedio aleatorio,

4. - El volumen de las moléculas es una fracción despreciablemente pequeña del volumen ocupado por el gas. Aunque hay muchas moléculas, son extremadamente pequeñas. Sabemos que el volumen ocupado por una gas se puede cambiar en un margen muy amplio, con poca dificultad y que, cuando un gas se condensa, el volumen ocupado por el liquida pueden ser miles de veces menor que la del gas se condensa. De aquí que nuestra suposición sea posible.

5. - No actúan fuerzas apreciables sobre las moléculas, excepto durante los choques. En el grado de que esto sea cierto, una molécula se moverá con velocidad uniformemente los choques. Como hemos supuesto que las moléculas sean tan pequeñas, la distancia media entre ellas es grande en comparación con el tamaño de una de las moléculas. De aquí que supongamos que el alcance de las fuerzas moleculares es comparable al tamaño molecular.

6. - Los choques son elásticos y de duración despreciable. En los choques entre las moléculas con las paredes del recipiente se conserva el ímpetu y (suponemos)la energía cinética. Debido a que el tiempo de choque es despreciable comparado con el tiempo que transcurre entre el choque de moléculas, la energía cinética que se convierte en energía potencial durante el choque, queda disponible de nuevo como energía cinética, después de un tiempo tan corto, que podemos ignorar este cambio por completo. 

Características de Gas Ideal

Se considera que un gas ideal presenta las siguientes características:

·         El número de moléculas es despreciable comparado con el volumen total de un gas.

·         No hay fuerza de atracción entre las moléculas.

·         Las colisiones son perfectamente elásticas.

·         Evitando las temperaturas extremadamente bajas y las presiones muy elevadas, podemos considerar que los gases reales se comportan como gases ideales. 

Propiedades de los gases

Los gases tienen 3 propiedades características: (1) son fáciles de comprimir, (2) se expanden hasta llenar el contenedor, y (3) ocupan más espacio que los sólidos o líquidos que los conforman.

·                     Compresibilidad

Una combustión interna de un motor provee un buen ejemplo de la facilidad con la cual los gases pueden ser comprimidos. En un motor de cuatro pistones, el pistón es primero halado del cilindro para crear un vacío parcial, es luego empujado dentro del cilindro, comprimiendo la mezcla de gasolina/aire a una fracción de su volumen original. 

·                     Expandibilidad

Cualquiera que haya caminado en una cocina a donde se hornea un pan, ha experimentado el hecho de que los gases se expanden hasta llenar su contenedor, mientras que el aroma del pan llena la cocina. Desgraciadamente la misma cosa sucede cuando alguien rompe un huevo podrido y el olor característico del sulfito de hidrógeno (H₂S), rápidamente se esparce en la habitación, eso es porque los gases se expanden para llenar su contenedor. Por lo cual es sano asumir que el volumen de un gas es igual al volumen de su contenedor. 

1.2.-Establecer la diferencia entre el comportamiento de gases reales e ideales.

Los gases reales tienen la característica que se comportaran como gases ideales cuando las condiciones de temperatura y presión se acerquen a valores ambientales. Un gas puede ser considerado como real, a elevadas presiones y bajas temperaturas, es decir, con valores de densidad bastante grandes, a un gas real no se le puede comprimir indefinidamente

- Para un gas ideal la variable "z" siempre vale uno, en cambio para un gas real, "z" tiene que valer diferente que uno.

- La ecuación de Van der Waals se diferencia de las de los gases ideales por la presencia de dos términos de corrección; uno corrige el volumen, el otro modifica la presión.

- Los gases reales, a presiones y temperaturas cercanas a las ambientales, actúan como gases ideales.

1.3.-Propiedades PVT (presión, volumen temperatura)

Volumen de un gas: son las dimensiones del espacio que ocupa un gas. En un sistema cerrado, el gas ocupa todo el volumen del sistema. Asi por ejemplo, cuando un gas es metido a un recipiente, se expande uniformemente para ocupar todo el recipiente. Cuando un gas es sacado del recipiente al ambiente tenderá a expandirse por la atmósfera

 Presión de un gas: fuerza dividida entre el área que ejercen las moléculas de gas al chocar unas con otras y con las paredes de un sistema. A la vez, por la 3ª ley de Newton de Acción y Reacción, también es la fuerza por unidad de área que ejercen las paredes del sistema sobre el gas.

Temperatura de un gas: percepción macroscópica de la energía interna que contiene un gas. La energía interna es aquella energía que poseen las moléculas para moverse: rotar, vibrar y desplazarse. A mayor temperatura, mayor energía interna contiene el gas.

1.4.-Ley de Boyle, ley de Charles, ley de Gay-Lussac y la ecuación general del estado gaseoso.

Ley de Boyle:

En una muestra de gas a temperatura constante, le presion y el volumen son inversamente proporcionales entre sí

Ley de Charles:

El volumen de una muestra de gas mantenida a presion constante es proporcional a su temperatura en la escala Kelvin

La ley de Gay-Lussac1 dice:

Si el volumen de una cierta cantidad de gas a presión moderada se mantiene constante, el cociente entre presión y temperatura(Kelvin) permanece constante:

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".

1.5.-Concepto de Termodinámica, calor de reacción, calor de formación y calor de solución

Termodinamicaa rama de la física que hace foco en el estudio de los vínculos existentes entre el calor y las demás variedades de energía. Analiza, por lo tanto, los efectos que poseen a nivel macroscópico las modificaciones de temperatura, presión, densidad, masa y volumen en cada sistema.

Calor de reaccionQr 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

Calor de Formación

calor que se absorbe o se desprende cuando se forma un mol de compuesto a partir de sus elementos en sus estados de agregación más estables a 25ºC y 1atm.

Calor de Solucion

El calor de solución es una de las tres dimensiones del análisis de solubilidad. Se expresa más frecuentemente en kJ/mol a temperatura constante. El calor de solución de una sustancia está definido como la suma de la energía absorbida, o energía endotérmica y la energía liberada, o energía exotérmica
Debido a que el calentamiento disminuye la solubilidad de un gas, la disolución de los gases es exotérmica.

1.6.-Concepto de Electroquímica, celdas electrolíticas y celdas voltaicas (galvánicas)

Electroquimica
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

Celda electrolitica

La celda electrolítica transforma una corriente eléctrica en una reacción química deoxidación reducción que no tiene lugar de modo espontáneo. En muchas de estas reacciones se descompone una sustancia química por lo que dicho proceso recibe el nombre de electrolisis.

Celda Voltaicas

La celda voltaica transforma una reacción química espontánea en una corriente eléctrica, como las pilas y baterías. También reciben los nombres de celda galvánica, pila galvánica o pila voltaica.

1.7.-Investigar el funcionamiento de una celda voltaica y una celda electrolítica

Una pila voltaica consta de dos semipilas (denominadas también semiceldas o electrodos). En su forma más simple, cada semipila consta de un metal y una solución de una sal del metal. La solución de la sal contiene un catión del metal y un anión para equilibrar la carga del catión. En esencia, la semipila contiene el metal en dos estados de oxidación, y la reacción química en la semipila es una reacción redox, escrito simbólicamente en el sentido de la reducción como:

M ⁿ⁺ (especie oxidada) + n e^- M (especie reducida)

En una pila voltaica de un metal es capaz de reducir el catión del otro y por el contrario, el otro catión puede oxidar al primer metal. Las dos semipilas deben estar separadas físicamente de manera que las soluciones no se mezclen. Se utiliza un puente salino o una placa porosa para separar las dos soluciones.

El número de electrones transferidos en ambas direcciones debe ser el mismo, así las dos semipilas se combinan para dar la reacción electroquímica global de la celda. Para dos metales A y B:

A ⁿ⁺ + n e^-  A

B ^m+ + m e^-  B                                         

m A + n B ^m+  n B + m A ⁿ⁺

El segundo gran tipo de celdas electroquímicas convierte la energía de una corriente eléctrica en la energía química de los productos de una reacción que no se da de modo espontáneo en las condiciones de trabajo de dicha cuba. El voltaje de dicha corriente ha de ser mayor al que tendría la celda galvánica en la que se produjese el proceso inverso, por lo que también se deben conocer los potenciales de reducción.

Por tanto, en la célula electrolítica existe igualmente una reacción redox pero ahora está provocada por la energía eléctrica de las cargas que atraviesan la cuba. Aunque ahora existe un único recipiente, también existen dos semirreacciones, una en cada electrodo, pues en cada una de ella tiene lugar una parte de la reacción redox:

§  La pérdida de electrones (oxidación) tiene lugar en el ánodo.

§  La ganancia de electrones (reducción) se produce en el cátodo.

Un ejemplo es la electrolisis del agua cuando se le hace pasar una corriente eléctrica.