Fisicoquímica – Página 2

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	$Fe + S \rightarrow FeS$ $2 Zn + O_{2} \rightarrow 2 ZnO$	$2 H_{2}O \rightarrow 2 H_{2} + O_{2}$ $H_{2}CO_{3} \rightarrow CO_{2} + H_{2}O$	$H_{2}SO_{4} + Fe \rightarrow FeSO_{4} + H_{2}$ $2 HCl + Zn \rightarrow ZnCl_{2} + H_{2}$

Electrón, protón y neutrón

Toda la materia está formada por átomos y éstos, a su vez, por partículas subatómicas elementales como el protón, el neutrón y el electrón. Las dos primeras se encuentran en el núcleo del átomo y los electrones se ubican en zonas de probabilidad alrededor del mismo. A continuación se comparan algunas de sus características más importantes.

	Electrón	Protón	Neutrón
Descubierto por	Joseph John Thomson	Ernest Rutherford	James Chadwick
Año de descubrimiento	1897	1918	1932
Descubrimiento experimental	Thomson realizó experimentos en tubos de rayos catódicos. Observó que cuando el gas contenido dentro del tubo variaba, las partículas del rayo se comportaban de igual forma. A partir de ello, dedujo que todos los átomos tienen una o más partículas cargadas negativamente y las llamó “electrones”.	Rutherford usó partículas $\alpha$ para bombardear delgadas láminas de oro y otros metales. Observó que las mayoría de las partículas atravesaban la lámina sin desviarse o con una pequeña desviación. Esto lo llevó a crear un nuevo modelo atómico que explicaba los vacíos entre las partículas atómicas y la concentración de carga positiva en un núcleo.	Chadwic bombardeó una lámina muy delgada de berilio con partículas $\alpha$ , lo que provocó la emisión de una radiación de muy alta energía, parecida a la de los rayos $\gamma$ . Luego se demostró que esos rayos están constituidos por un tercer tipos de partícula, con masa y sin carga, a la que llamó “neutrón”.
Grupo	Leptón	Hadrón	Hadrón
Símbolo	e^–	p⁺	n⁰
Carga	negativa (-) −1.602 176 565(35)×10⁻¹⁹ C	positiva (+) 1,602 176 487 × 10^–19 C	neutra (0) 0
Masa	5,485 799 094 6(22)×10⁻⁴ uma	1.007276466812 uma	1,008 664 915 6(6) uma
Ubicación en el átomo

Ácidos y bases

Desde la antigüedad se clasifican sustancias en base a su sabor o a la sensación que generan en la piel, este es el caso de los ácidos y las bases. Ambas forman soluciones de electrólitos y son capaces cambiar el color de ciertas compuestos. Con el propósito de dar una explicación al comportamiento físico y químico de los ácidos y bases se han propuesto diversas teorías llamadas teorías ácido-base.

	Ácido	Base
Concepto según la teoría de Arrhenius	Sustancia que en solución acuosa incrementa la concentración de iones hidrógeno H+. $HNO_{3} (ac) \rightarrow {\color{Red} H^{+}} (ac) + NO_{3}^{-}(ac)$	Sustancia que en solución acuosa incrementa la concentración de iones hidroxilo OH-. $NaOH (ac) \rightarrow Na^{+}(ac) + {\color{Blue} OH^{-}}(ac)$
Concepto según la teoría Brønsted-Lowry	Especie capaz de ceder iones H+. ${\color{Red} CH_{3}COOH} (ac) + H_{2}O \rightleftharpoons CH_{3}COO^{-} (ac) + {\color{Red} H_{3}O^{+}} (ac)$	Especie capaz de aceptar iones H+. $CH_{3}COOH (ac) + {\color{Blue} H_{2}O} \rightleftharpoons {\color{Blue} CH_{3}COO^{-}} (ac) + H_{3}O^{+} (ac)$
Concepto según la teoría de Lewis	Sustancia capaz de aceptar un par de electrones. ${\color{Red} BF_{3} }+ NH_{3} \rightarrow BF_{3}NH_{3}$	Sustancia capaz de donar o ceder un par de electrones. $BF_{3}+ {\color{Blue} NH_{3}} \rightarrow BF_{3}NH_{3}$
Rango de pH	0 a 6	8 a 14
Sabor	Agrio.	Amargo.
Viraje de color en papel tornasol	Cambia a color rojo el papel azul.	Cambia a color azul el papel rojo.
Neutraliza	Bases.	Ácidos.
Viraje de color en fenolftaleína	Cambia de rojo a incoloro.	Cambia de incoloro a rosado.
Reactividad	Reacciona con metales, como el magnesio, zinc o hierro.	No reacciona con metales. Reacciona con los ácidos.
Conductividad eléctrica	Conductor eléctrico en solución acuosa.	Conductor eléctrico en solución acuosa.
Al tacto	Son punzantes, queman la piel.	Son jabonosos.
Ejemplos	Ácido sulfúrico (H₂SO₄), presente en las baterías. Ácido clorhídrico (HCl), presente en el estómago. Ácido fosfórico (H₃PO₃), presente en algunas bebidas gaseosas. Ácido nítrico (HNO₃), presente en los fertilizantes niitrogenados. Ácido acético (CH₃COOH), componente principal del vinagre.	Hidróxido de sodio (NaOH), presente en limpiadores de tuberías de desagües. Hidróxido de magnesio (Mg(OH)₂), presente en la leche magnesia. Hidróxido de calcio (Ca(OH)₂), también llamada cal, con múltiples usos industriales y en construcción. Hidróxido de aluminio (Al(OH)₃), presente en los antiácidos. Amoniaco (NH₃), presente en fertilizantes y limpiadores.

Soluciones insaturadas, saturadas y sobresaturadas

Las soluciones son mezclas homogéneas compuestas esencialmente por solutos y solventes. Los solutos son las sustancias presentes en menor proporción, mientras que el solvente es la sustancia que está en mayor proporción. Según la solubilidad del soluto, las soluciones pueden clasificarse como saturadas, insaturadas o sobresaturadas.

	Solución insaturada	Solución saturada	Solución sobresaturada
Cantidad de soluto	Menor cantidad de soluto que la que es capaz de disolver un solvente en particular.	Máxima cantidad del soluto que se disuelve en un solvente en particular, a una temperatura y presión específica.	Mayor cantidad de soluto que el que puede haber en una disolución saturada.
Punto de saturación	No alcanza el punto de saturación.	Alcanza el punto de saturación.	Sobrepasa el punto de saturación.
¿Qué sucede al añadir más soluto?	El soluto añadido se disuelve.	El soluto añadido no se disuelve. Precipita.	El soluto añadido no se disuelve. Precipita.
Efecto de la temperatura	A mayor temperatura mayor solubilidad.	A mayor temperatura mayor solubilidad.	A mayor temperatura mayor solubilidad.
Representación

Corriente continua y corriente alterna

La corriente eléctrica es el desplazamiento ordenado de cargas eléctricas a través de un conductor. Según el sentido, ésta puede ser continua o alterna. Ambas son muy usadas e indispensables para el funcionamiento de artefactos electrónicos y del alumbrado público.

	Corriente continua	Corriente alterna
Abreviación	DC (direct current).	AC (alternating current).
Dirección del flujo de electrones	Una sola dirección constante en el tiempo.	Varía, cambia continuamente y no es constante en el tiempo.
Voltaje	Constante.	Cambios periódicos.
Polaridad	Tiene polaridad (positivo o negativo).	No tiene polaridad.
Frecuencia	Siempre será igual a 0.	Cerca de 50 a 60 Hz.
Fuente	Baterías, electroquímicos y celdas fotovoltaicas.	Alternadores.
Pérdida	La transmisión de DC genera pérdidas mayores a la de AC. Para largas distancias habrá pérdida de corriente.	La pérdida en la transmisión de AC es menor que la de DC. Este tipo de corriente es apta para recorrer largas distancias.
Ventajas	Puede almacenarse en baterías. Puede reducirse su voltaje a niveles muy bajos para ser usado en dispositivos electrónicos.	Fácil transformación. Facilidad de transporte a larga distancia. Fácil y económico manejo cambio en los niveles de voltaje.
Aplicación	En los dispositivos electrónicos y digitales.	En los alumbrados públicos y viviendas.
Conversión	De DC a AC se usan rectificadores y diodos semiconductores.	De AC a DC se usan diodos, capacitores y reguladores.
Forma representativa

Ley de Coulomb y ley de gravitación universal

La ley de Coulomb y la ley de gravitación universal son de gran importancia para entender el comportamiento de dos de las fuerzas fundamentales en la naturaleza: la eléctrica y la gravitacional. Ambas leyes se representan por medio de expresiones matemáticas muy similares, sin embargo sus diferencias son notorias.

	Ley de Coulomb	Ley Gravitacional universal
Enunciado	La fuerza eléctrica de atracción y repulsión entre dos cargas es directamente proporcional al producto de las mismas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.	La fuerza gravitacional de atracción entre dos masas es directamente proporcional al producto de las mismas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.
Interacción	Fuerza entre cargas. Puede ser atractiva o repulsiva.	Fuerza entre masas. Siempre es atractiva.
Efectos	Más evidente en cuerpos pequeños: los átomos.	Más evidente en cuerpos grandes: galaxias, planetas y estrellas.
Expresión matemática	$F_{E} = K \frac{q_{1}q_{2}}{r^{^{2}}}$	$F_{G} = G \frac{m_{1}m_{2}}{r^{2}}$
Cuerpos implicados	Cargas: $q_{1}q_{2}$	Masas: $m_{1}m_{2}$
La distancia entre:	Los centros de las cargas es $r$	Los centros de las masas es $r$
Constante	$K = 9 . 10^{9} N.m^{2}/C^{2}$	$G = 6,67 . 10^{-11} N.m^{2}/kg^{2}$
Fuerza sobre el átomo de hidrógeno	Carga del electrón del átomo de H $q_{1} = - 1,6 . 10^{-19} C$ Carga del protón del átomo de H $q_{2} = 1,6 . 10^{-19} C$	Masa del electrón del átomo de H $m_{1} = 9,1 . 10^{-31} kg$ Masa del protón del átomo de H $m_{2} = 1,67 . 10^{-27} kg$

Enlace iónico y enlace covalente

Los enlaces químicos son las interacciones que existen entre los átomos que conforman una molécula. Estas interacciones son de naturaleza variable, es decir, no son iguales para todos los compuestos y depende de las características propias de cada átomo que forma el enlace. Los enlaces químicos pueden ser iónicos o covalentes.

	Enlace iónico	Enlace covalente
Tipo de unión	Por electrones transferidos.	Por electrones compartidos.
Átomos implicados	Metálicos con no metálicos.	No metálicos con no metálicos.
Atracción entre:	Iones (átomos con carga positiva o cationes, y átomos con carga negativa o aniones).	Núcleos y electrones compartidos.
Tipo de estructura	Red cristalina.	Moléculas simple o gigantes.
Direccionalidad	No direccional.	Direccional.
Diferencia de elctronegatividad	Elevada. Mayor a 1,7.	Baja. Menor a 1,7. Puede ser 0.
Punto de fusión de sus compuestos	Elevado.	Bajo.
Punto de ebullición de sus compuestos	Elevado.	Bajo.
Solubilidad de sus compuestos	Solubles en agua.	Generalmente insolubles.
Conductividad de sus compuestos	Conductores de corriente eléctrica en disolución.	No conducen corriente eléctrica.
Representación de cómo se forma cada enlace	Cloruro de sodio (NaCl)	Agua (H₂O)
Ejemplos	NaCl, MgO, CuSO₄,LiF, MgCl₂, AgNO₃, K₂SO₄,KOH, K₂Cr₂O₇	O₂, F₂, H₂O, N₂, NH₃, CH₄, CO₂, SiO₂, SO₃, PCl₅, CO, C₂H₂, C₃H₈

Energía eólica, nuclear y solar

Las energías renovables se obtienen de fuentes naturales que virtualmente no deberían agotarse, como la radiación solar y el viento; mientras que las energías no renovables se obtienen de fuentes naturales en cantidades limitadas, como los combustibles fósiles. Tres tipos de energía se comparan a continuación.

	Energía eólica	Energía nuclear	Energía solar
Obtención	Se obtiene gracias a la capacidad de los aerogeneradores de transformar la energía cinética del viento en electricidad.	Se obtiene a través de reacciones de fisión y fusión de un núcleo atómico. Es la energía que contiene el núcleo de un átomo.	Se obtiene de la radiación electromagnética proveniente del Sol. Se aprovecha por los paneles solares.
Tipo	Renovable.	No renovable.	Renovable.
Fuente	El viento.	El átomo.	El Sol.
Mayor productor (2019)	China.	Estados Unidos.	China.
Ventajas	Fuente de energía limpia con bajo impacto ambiental. Fuente válida de energía renovable. Los costos y el mantenimiento de turbinas eólicas son bajos.	Las centrales nucleares emiten sólo agua caliente. Con la energía nuclear muchos países pueden alcanzar la independencia energética. Puede mantenerse la producción por muchos años.	El Sol ofrece una fuente ilimitada de energía. Es un recurso limpio que no causa graves daños en el medio ambiente. Puede proporcionar electricidad a comunidades aisladas.
Desventajas	Afecta a la avifauna local. Debido a las condiciones climáticas, el viento no está garantizado. La construcción de una planta eólica modifica el paisaje.	Las partículas sobrantes de la separación de los átomos pueden causar daños biológicos. Pueden producir accidentes graves. Las plantas nucleares son más grandes y complejas que otras plantas de energía.	Varía de acuerdo a las estaciones. Se necesita una gran inversión inicial. Sus costos asociados son más altos comparados con otras tecnologías.
Aplicaciones	Principalmente para producir energía eléctrica.	Principalmente para producir energía eléctrica.	Principalmente para producir energía eléctrica, también para cocinar y como sistema de calefacción.
Ejemplos	Aerogeneradores, molinos de viento, molinos de bombeo y veleros. Molino de viento en Güeldres, Países Bajos	Centrales nucleares, colisionador de hadrones, pila atómica y automóviles nucleares. Central nuclear de Tihange, Bélgica.	Proyecto solar, energía solar térmica, energía fotovoltaica e invernaderos. Plantas de energía solar en Texas, Estados Unidos

Balanza mecánica y electrónica

La balanza es usada para pesar, operación en la que se determina la masa de un cuerpo por medio de la comparación de su masa con la de otro cuerpo con masa definida. Las balanzas son muy comunes en los laboratorios y sus tipos son muy variados. Las más usadas son las mecánicas y las electrónicas.

	Balanza mecánica	Balanza electrónica
Funcionamiento	Por medio de juego de contrapesos.	Por medio de sensores.
Precisión y exactitud	Baja respecto a las electrónicas. Precisión de 0,1 a 0,001 g.	Alta. Precisión de 0,1 g a 0,00001 g.
Costos	Mayor costo, depende del modelo.	Menor costo, la más precisa es más costosa.
Sensibilidad	No son sensibles a factores externos.	Pueden ser sensibles a factores externos.
Requerimiento de energía	No necesitan electricidad para su funcionamiento.	Necesitan electricidad o baterías para su funcionamiento.
Calibración	La viga debe estar al nivel de la lectura cero (0) cuando no hay peso.	De forma manual, o por medio de teclas para el reajuste.
Uso	No son comunes actualmente en los laboratorios.	En la actualidad son las más comunes en los laboratorios.
Clasificación	Balanza de un plato Balanza de dos platos	Balanza analítica Balanza granataria