CAPÍTULO 4 / TEMA 3

Formas de energía

La energía es la capacidad que posee un cuerpo de realizar distintos tipos de trabajo, como el movimiento, el calor o la luz. Esta energía puede manifestarse de muchas maneras, ya sea transferida o transformada de un tipo a otro.

ENERGÍA MECÁNICA

Es la energía almacenada y relacionada con la posición y el movimiento de los cuerpos. Asimismo, es producto de la suma de otras dos formar de energía: la cinética y la potencial.

¿Sabías qué?
En física, el trabajo es un principio de la mecánica que comprende una fuerza y un desplazamiento; el trabajo (W) lo usamos para describir cuantitativamente lo que se obtiene cuando una fuerza hace mover a un cuerpo a lo largo de una distancia.

Energía potencial

Es cualquier forma de energía con un potencial almacenado que puede ser usado en el futuro y que solamente se manifiesta al convertirse en energía cinética.

La energía potencial se puede presentar como:

Energía potencial gravitatoria

Es la que poseen los cuerpos debido a la fuerza de gravedad que ejerce la Tierra.

Energía potencial elástica

Es la energía acumulada en un cuerpo elástico, es decir, aquellos que tienen la capacidad de deformarse y luego recuperar su forma original.

Energía potencial química

Es aquella que se transforma en energía cinética a partir de un proceso de combustión interna.

Energía cinética

Significa “movimiento”, cuanto más rápido se mueve un objeto, mayor es su energía cinética. Ésta se puede convertir en energía mecánica mediante molinos de agua, molinos de viento o bombas conectadas a turbinas o a electricidad.

El valor de esta forma de energía depende de la masa (m) y de la velocidad (v) del cuerpo.

Cuando se lanza una pelota, gana energía cinética progresivamente.
Justo en el punto más elevado de la montaña rusa, toda la energía del vagón sería energía potencial, y al comenzar a descender, la energía potencial se transforma en energía cinética.

ENERGÍA QUÍMICA

La energía química es aquella que posee la materia debido a su estructura interna, este tipo de energía se puede aprovechar de las reacciones químicas, ya que se origina en las uniones entre átomos y moléculas. Esta energía puede ser liberada o absorbida durante la reacción, por lo tanto también puede liberar o absorber calor.

Las reacciones químicas pueden ser:
Exotérmicas si liberan calor Endotérmicas si absorben calor

Respiración de los seres vivos.

 

Combustión de compuestos orgánicos.

Fotosíntesis.

 

Descomposición de proteínas.

¿Qué es la biomasa?

Es material orgánico que proviene de plantas y animales, y es una fuente de energía renovable. Cuando se quema el material se libera calor que puede ser aprovechado, es decir, se transforma la energía química contenida en energía térmica.

 

La combustión es una de las reacciones más comunes. En estas reacciones el oxígeno del aire reacciona con un combustible y libera energía en forma de calor. Esta transformación se puede representar de la siguiente forma:

 

Donde:

Pc = poder calorífico de un cuerpo al arder, es decir, la energía que puede obtenerse de un kilogramo de combustible.

m = masa del cuerpo que se quema (en kg).

V = volumen del cuerpo que se quema (en m3).

ENERGÍA TÉRMICA

La energía térmica es la manifestación de la energía en forma de calor, por lo tanto es una energía en “paso o de tránsito”, que se transfiere de un cuerpo a otro. Se debe al movimiento de las partículas que forman la materia. Cuando ese movimiento se acelera, aumenta la temperatura y por consiguiente hay más energía térmica.

Así, cuando un cuerpo esté a baja temperatura tendrá menos energía térmica que otro que esté a mayor temperatura. De este modo, el calor no es más que una forma de denominar a los aumentos y pérdidas de energía térmica.

El calor puede transferirse de distintas formas:

Conducción

Es la transferencia de energía térmica que se produce a través de un medio material sin que se manifieste transporte de materia.

Convección

Es la transferencia de calor por medio del movimiento de una masa fluida, como aire o agua. En esta forma de propagación sí hay transporte de materia.

Radiación

Es la transmisión del calor por ondas electromagnéticas, a diferencia de la conducción y convección, no necesita de un medio material para propagarse.

Se debe saber que a causa del intercambio de calor, un cuerpo puede variar su temperatura o cambiar su estado (por ejemplo, de líquido a sólido). Si se quiere calcular la cantidad de energía intercambiada es posible utilizar la siguiente ecuación:

Donde:

Q = cantidad de energía en forma de calor intercambiada entre los sistemas.

m = masa del sistema.

c = propiedad que depende del material que constituye el cuerpo y se denomina calor específico.

ΔT = variación de temperatura.

ENERGÍA RADIANTE

Este tipo de energía es producida por las ondas electromagnéticas, como las ondas de radio. Se caracteriza principalmente por la capacidad que tiene de propagarse en todas las direcciones en el vacío sin soporte material.

La energía solar es un ejemplo de energía radiante.

La energía radiante está en constante movimiento y a velocidades altísimas, lo que forma ondas que poseen distintas longitudes y frecuencias. La mayoría de estas ondas puede propagarse por el vacío, por eso, los rayos del Sol o las ondas de los satélites pueden llegar hasta la superficie de la Tierra.

Ejemplos de energía radiante

 

Rayos X.

 

 

Rayos infrarrojos.

 

 

Rayos ultravioletas.

¿Qué son las ondas electromagnéticas?

Son aquellas que se pueden propagar en el vacío sin necesidad de un medio material. La luz, los rayos x, los rayos láser y otros, son ejemplos de ondas electromagnéticas.

ENERGÍA ELÉCTRICA

Este tipo de energía es causada por el movimiento de las cargas eléctricas o de los electrones que poseen los materiales conductores. Puede generarse a partir de otras energías y, a su vez, puede ser transformada y producir varios efectos: luminosos, térmicos y magnéticos.

Un relámpago es la emisión de luz seguida de la descarga eléctrica del rayo.

La energía eléctrica es aquella que se usa al encender la luz, calentar la comida con el horno de microondas o cargar el teléfono celular. Una forma de obtener energía eléctrica a partir del Sol es mediante la utilización de paneles solares.

La energía eléctrica puede representarse de la siguiente manera:

Donde:

P = potencia expresada en vatio (W).

t = tiempo en segundos.

V = voltaje en voltios (V).

R = resistencia eléctrica en ohmios (Ω).

I = intensidad d corriente en amperios (A).

¿Qué es la electricidad?

El término “electricidad” deriva del griego electron, que significa “ámbar”, y con este nombre se denominan todos los fenómenos físicos relacionados con la atracción de cargas negativas o positivas, y resultantes de la presencia y flujo de una corriente eléctrica.

 

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ENERGÍA MAGNÉTICA

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Es la capacidad de atraer o repeler que poseen algunos materiales sobre otros y que originan campos magnéticos permanentes que producen energía magnética. Existen diversos materiales con propiedades magnéticas, entre ellos se encuentran el níquel, el cobalto, el hierro y sus aleaciones. Sin embargo, la presencia de campos magnéticos influye, en mayor o menor medida, en todos los materiales.

¿Sabías qué?
En año 1819, el danés Hans Christian Orested fue el primero en relacionar los imanes con las corrientes eléctricas para definir lo que hoy se conoce como electromagnetismo.

Teorías del magnetismo

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Para poder comprender el fenómeno del magnetismo se han desarrollado distintas teorías.

Teoría de Weber

Un imán puede dividirse indefinidamente y aun así conservar sus propiedades magnéticas. Los materiales están compuestos de pequeñas moléculas imantadas.

Teoría de Ewing

Los materiales están compuestos por grupos de átomos con momentos magnéticos diferentes que son capaces de reordenarse cuando se les aproxima un material imantado y volverse magnéticos.

Teoría de Ampere

Cuando las corrientes elementales de un material ferromagnético son ordenadas, éste adquiere propiedades magnéticas.

¿Qué es un campo magnético?

Es la región en la cual el imán ejerce sus efectos. Esta zona muchas veces no puede ser observada a simple vista. Para representar el campo magnético se utilizan líneas denominadas líneas de fuerza.

Las brújulas y los imanes representan los ejemplos más comunes de magnetismo.

ENERGÍA NUCLEAR

Es la energía contenida en el núcleo de un átomo. Se puede obtener a través de reacciones de fisión y fusión de un núcleo atómico. Dentro de los núcleos atómicos, las fuerzas entre los protones y neutrones son muy intensas, por lo que los procesos de transformación nuclear generan gran cantidad de energía.

Tipos reacciones nucleares

Reacción de fusión

Es un proceso en el que dos núcleos ligeros se unen para formar un núcleo más pesado. En el proceso se desprende gran cantidad de energía.

Reacción de fisión

Es un proceso en el que un núcleo de gran tamaño se divide en núcleos más pequeños mientras libera neutrones y gran cantidad de energía.

En estas reacciones nucleares la energía se expresa en relación a la masa:

Donde:

E = energía, se mide en julios (J).

m = masa que desaparece (en kg).

c = velocidad de la luz (3 x 108 m/s).

Bomba atómica

La bomba atómica adquiere su nombre debido a su funcionamiento, ya que no depende de la combustión de algún material o de la reacción de algunos materiales o elementos químicos, sino que se basan en reacciones nucleares.

 

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RECURSOS PARA DOCENTES

Video “energía de un oscilador mecánico”

Recurso audiovisual que le permitirá resolver problemas sobre energía de un oscilador mecánico.

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Video “Física nuclear: desintegración radiactiva”

Este video explica en detalle en qué consiste el proceso de desintegración de núcleos radiactivos.

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Video “Energía y las reacciones químicas”

Este recurso describe cómo se manifiesta la energía en las reacciones químicas.

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Fórmula molecular, empírica y estructural

Los compuestos moleculares están formados por moléculas que a su vez contienen cantidades determinadas de átomos unidos por enlaces covalentes. Estos compuestos se representan mediante una fórmula química, es decir, una representación simbólica que indica los elementos presentes y el número de átomos de cada elemento.

Fórmula empírica Fórmula molecular Fórmula estructural
¿Qué representa? La cantidad simplificada de átomos que conforman la molécula. La cantidad real de átomos que conforman la molécula. La estructura de la moléculas y distribución espacial de sus átomos.
¿Qué muestra?
  • Los tipos de átomos.
  • Cantidad relativa de átomos.
  • Los tipos de átomos.
  • Cantidad real de átomos.
  • Los tipos de átomos.
  • Los enlaces que los unen.
Expresión matemática Fórmula empírica (FE) = Fórmula molecular (FM) / n Fórmula molecular (FM)= Fórmula empírica (FE) . n No posee.
Ejemplo 1: Glucosa CH_{2}O

 

n = 6 (múltiplo calculado experimentalmente)

FE = C6H12O6 / 6 = CH2O

C_{6}H_{12}O_{6}

 

n = 6 (múltiplo calculado experimentalmente)

FM = 6 (CH2O) = C6H12O6

Ejemplo 2: Agua H_{2}O

 

FE coincide con FM.

H_{2}O

 

FM coincide con FE.

Ejemplo 3: Amoniaco NH_{3}

 

FE coincide con FM.

NH_{3}

 

FM coincide con FE.

 

Reacciones de combinación, descomposición y desplazamiento

La materia se transforma continuamente. Cuando la transformación es interna, es decir, cuando la sustancia cambia tanto en apariencia física como composición, se habla de un cambio químico o reacción química. Éstas se pueden clasificar según el proceso químico ocurrido en reacciones de combinación, descomposición o desplazamiento.

Reacción de combinación Reacción de descomposición Reacción de desplazamiento
Proceso químico Combinación o síntesis. Descomposición. Desplazamiento o sustitución.
¿Qué ocurre? Dos o más sustancias puras se combinan para crear una nueva sustancia compuesta. Una sustancia compuesta se descompone para formar dos o más productos. Un elemento que conforma un compuesto es sustituido o desplazado por otro.
Representación A + B \rightarrow C

 

AB \rightarrow A + B

 

AB + X \rightarrow AX + B

 

Ejemplos Fe + S \rightarrow FeS

 

2 Zn + O_{2} \rightarrow 2 ZnO

2 H_{2}O \rightarrow 2 H_{2} + O_{2}

 

H_{2}CO_{3} \rightarrow CO_{2} + H_{2}O

H_{2}SO_{4} + Fe \rightarrow FeSO_{4} + H_{2}

 

2 HCl + Zn \rightarrow ZnCl_{2} + H_{2}

 

Propiedades y nomenclatura de éteres

Los éteres son utilizados como solventes orgánicos en diversas reacciones de síntesis orgánica, así como en la separación de mezclas y purificación debido a sus propiedades física y químicas.

El dietil éter fue utilizado como anestésico quirúrgico en décadas pasadas, actualmente se prefiere el uso de sustancias cuyos efectos secundarios son menores.
El dietil éter fue utilizado como anestésico quirúrgico en décadas pasadas, actualmente se prefiere el uso de sustancias cuyos efectos secundarios son menores.

Los éteres (R-O–R´) son compuestos oxigenados que se caracterizan por tener dos cadenas carbonadas unidas a un átomo de oxígeno mediante enlaces simples C-O.

Dicho de otra forma, los éteres son el resultado de sustituir los hidrógenos de la molécula de agua por sustituyentes del tipo alquilo y arilo, entre otros.

PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DE LOS ÉTERES

Los éteres son compuestos polares, ya que la suma de los momentos polares de sus enlaces es diferente de cero, así mismo los dos pares de electrones libres contribuyen a la polaridad de este tipo de compuestos.

Las fuerzas intermoleculares que predominan en los éteres son del tipo dipolo-dipolo. Además, debido a la ausencia de grupos hidroxilos en su estructura, no son capaces de formar enlaces o puentes de hidrogeno por lo cual sus puntos de ebullición son inferiores a los observados en alcoholes con masas molares semejantes.

Los éteres son sustancias más volátiles que los alcoholes.

En cuanto a su comportamiento químico, los éteres son sustancia de baja reactividad si se comparan con otros compuestos oxigenados, de allí que sean utilizados como solventes en diversas reacciones químicas.

Uno de los puntos a favor que presentan los éteres frente a otro solventes orgánicos polares como los alcoholes es que no se comportan como ácidos en presencia de una base fuerte y por tanto pueden ser utilizados en reacciones en medio básico sin riesgo alguno.

NOMENCLATURA DE ÉTERES

Según la nomenclatura funcional, los éteres se denominan al colocar el nombre de los sustituyentes en orden alfabético, seguidos de la palabra éter.

Por otra parte, debido a que los éteres son considerados derivados oxigenados de los alcanos, se pueden nombrar con la denominación del alcano correspondiente a la cadena principal precedido por el nombre del sustituyente alcoxido.

En el caso de los éteres cíclicos el nombre está conformado por el prefijo oxa- seguido del nombre del ciclo correspondiente, cuya numeración inicia en el átomo de oxígeno.

¡RECUERDA!

Las normas generales de nomenclatura orgánica son:

  1. Seleccionar la cadena principal, ésta siempre es la más larga y la que contiene el grupo funcional de mayor prioridad.
  2. Enumerar la cadena principal, para lo cual se asigna la numeración más baja posible al grupo funcional principal y a los sustituyentes e insaturaciones presentes en la estructura.
  3. Identificar y nombrar los sustituyentes presentes.
  4. Los sustituyentes se nombran en orden alfabético, en casos donde los sustituyentes se encuentran repetidos se utilizan prefijos de cantidad que no son considerados al momento de ordenar, por ejemplo: di = 2, tri = 3, tetra = 4, penta = 5, hexa = 6 y así sucesivamente.

¡Aplica lo aprendido!

Indica el nombre del siguiente éter.

  1. Ubicar los sustituyentes y enumerar la cadena principal de los mismos.

 

  1. El sustituyente señalado en azul es un alqueno, el nombre indica la posición del doble enlace seguida del prefijo correspondiente a la cadena principal y el sufijo –enil.

SUSTITUYENTES INSATURADOS

Para nombrar sustituyentes con doble y triple enlace es necesario cambiar los sufijos correspondientes a cada caso, como se indica a continuación:

-Alquenos, se cambia la terminación –eno por –enil.

-Alquinos, se cambia el sufijo –ino por -inil.

  1. El sustituyente señalado en verde tiene a su vez dos radicales iguales, los cuales se deben nombrar indicando la posición y utilizando el prefijo de cantidad correspondiente seguido del nombre de la cadena principal.

  1. Una vez que se nombran ambos sustituyentes, se agrega la palabra “éter” al final para completar el nombre del compuesto.

Propiedades y nomenclatura de aminas

Las aminas son compuestos orgánicos nitrogenados conocidos por su importancia a nivel biológico y medicinal. Ejemplo de ello es la serotonina, un neurotransmisor involucrado en diversos procesos de tipo afectivo a nivel del sistema nervioso central.

Las aminas son compuestos orgánicos derivados del amoniaco, conformados por uno o más grupos alquilo o arilo enlazados al átomo de hidrógeno mediante un enlace simple.


En función del número de grupos alquilo o arilo unido al nitrógeno las aminas se clasifican en:

Amina primaria: están constituidas por un grupo amino unido a un sustituyente alquilo o arilo (R- NH2).

Amina secundaria: están formadas por dos grupos alquilo o arilo (R-NH-R´) unidos al átomo de hidrógeno.


Amina terciaria: tienen tres grupos alquilo o arilo unidos al nitrógeno (NR3).


IMPORTANCIA BIOLÓGICA DE LAS AMINAS

En el cuerpo humano hay diferentes aminas que cumplen funciones vitales en el organismo, entre las cuales se encuentran:

Histamina: es la sustancia responsable de las reacciones típicas de la alergia como la dilatación de los vasos sanguíneos, también es un importante neurotransmisor.

Niacina: es una vitamina que ayuda al buen funcionamiento de órganos como la piel, además interviene en procesos del sistema digestivo y nervioso.

Dopamina: es un neurotransmisor del sistema nervioso central y periférico.

PROPIEDADES DE LAS AMINAS

Las propiedades de las aminas están asociadas a su estructura química y la forma en que ésta determina las interacciones moleculares. En general, las aminas son polares y presentan interacciones del tipo dipolo-dipolo, además, aquellas que contienen enlaces de N-H pueden interactuar mediante enlaces de hidrógeno. Debido a que el nitrógeno es menos electronegativo que el oxígeno presente en los alcoholes (R-OH), los puentes de hidrógeno en las aminas son más débiles y por tanto sus puntos de ebullición suelen ser menores a los de los alcoholes de igual masa molecular.

¿Sabías que incluso las aminas terciarias pueden interaccionar con otras moléculas que formen enlaces de hidrógeno? Esto debido al par de electrones libre del nitrógeno.

En cuanto a la solubilidad, las aminas con menos de siete átomos de carbono son solubles en agua, propiedad que disminuye al aumentar el número de carbonos.

Las aminas se comportan como bases débiles en presencia de un ácido, tal como muestra el siguiente ejemplo:


AMINAS MEDICINALES

En la medicina hay drogas o fármacos que pertenecen al grupo de las aminas, como son los antihistamínicos recetados en los casos de alergias y gripes, también la morfina administrada en dosis pequeñas a pacientes que sufren dolor crónico y agudo.

Sin embargo, algunas aminas como la cocaína, la nicotina y la metanfetamina generan adicción y demás efectos negativos sobre el sistema nervioso central y la salud en general.

¿Sabías que el nombre de vitaminas se debe a que inicialmente se creía dichas biomoléculas eran todas aminas?

NOMENCLATURA DE AMINAS

Las aminas se nombran como alcanoaminas o alquilaminas, es decir, se nombran utilizando el nombre del alcano o sustituyente alquilo, respectivamente. En ambos casos se utiliza la terminación –amina.


En aquellos casos donde hay más de un sustituyente se deben nombrar en orden alfabético, así mismo, si alguno de estos se repite varias veces se utilizan los prefijos de cantidad: di, tri y tetra, entre otros.


También es posible nombrar los sustituyentes empleando la letra N como localizador, siempre que los sustituyentes estén unidos al átomo de nitrógeno.


En compuestos donde la prioridad corresponde a otra función química, las aminas se nombran empleando el término amino- precedido por el localizador.


SALES CUATERNARIAS

Las sales cuaternarias se forman cuando una amina reacciona con un ácido. Se utilizan como producto de limpieza y en medicamentos, ya que son más estables y resistentes que las aminas de las cuales provienen.



¡Aplica lo aprendido!

Indica el nombre del siguiente compuesto.


  1. Enumera la cadena carbonada más larga.

  1. Identificar los sustituyentes.

  1. Nombrar el compuesto.