Gases, Termoquímica y Electroquímica, Cinética Química y Nanotecnología

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Gases, Termoquímica y Electroquímica, Cinética Química y Nanotecnología

Gerardo Mendoza Sánchez

° Departamento Ingeniería Industrial  

Resumen—En este trabajo se abordará de manera clara todos los temas y apartados del bloque 4 de la materia de Química, tiene como objetivo la investigación bibliográfica del material necesario para continuar con el curso completo, y de esta manera comprender, y tener una base sólida en diferentes temas, de los cuales estamos rodeados por sus aplicaciones, tal vez sin siquiera percatarnos de ello. Así como la invención de nuevos materiales de tamaños insignificantes pero con un gran potencial de cambiarnos la vida en varios aspectos en calidad de vida y tecnológicos para nuestro aprovechamiento.  

Palabras clave— Ambiente, Celdas, Concentración, Corrosión, Energía, Ley, Nanotecnología, Presión, Reacciones, Reacciones químicas, Termoquímica.

1. Introducción

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n este documento se abordarán temas acerca de las leyes de los gases y su relación con el medio que los rodea y los usos que podemos darle cambiando el entorno de ellos, y en las reacciones electroquímicas de materiales para nuestro beneficio como son las celdas voltaicas que utilizamos para darle energía a todos los aparatos eléctricos que utilizamos hoy en día

Gases, Termoquímica y electroquímica

1. ¿Qué enuncia la ley de Boyle, Charles, Gay Lussac y Dalton?.

Ley de Boyle: Los científicos pueden predecir con precisión los efectos de los cambios de presión utilizando una ley formulada por el físico y químico británico Robert Boyle (1627-1691). Sus experimentos sobre el cambio de volumen de una cierta cantidad de gas con la presión del gas a temperatura constante son la base de la ley de Boyle. De acuerdo con esta ley, a temperatura constante el volumen de la masa fija de un gas es inversamente proporcional a la presión que éste ejerce. Por ejemplo, si se duplica la presión de cierto gas, el volumen se reducirá a la mitad; si la presión se reduce a la mitad, el volumen se duplicará. De esta manera, a menor presión, mayor volumen; a mayor presión, menos volumen.

Ley de Charles: La ley de Boyle se aplica cuando la temperatura es constante. Sin embargo, en ocasiones lo que cambia es la temperatura y no la presión. Para predecir los cambios de volumen en estos casos, recurrimos a la le desarrollada por el físico francés Jacques Charles (1746-1823). Aunque el volumen de un gas cambia de manera uniforme con los cambios de temperatura, el volumen no es directamente proporcional a la temperatura en grados Celsius. De acuerdo con la ley de Charles, a presión constante, el volumen de la masa fija de un gas es directamente proporcional a la temperatura Kelvin. Es decir, a 0°K (equivalente a -273°C) el volumen de un gas, en teoría, es igual a 0. Sin embargo, debido a que los gases al enfriarse forman líquidos y sólidos, este valor de cero es solamente teórico.

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A la izquierda, el volumen de un gas a t ambiente y a la derecha la misma masa de gas a diferente t aumentó de volumen.

Ley de Gay Lussac: El trabajo de Charles lo continuó su amigo francés Joseph Gay Lussac (1778-1850). De acuerdo con esta ley, a volumen constante, la presión de una masa fija de un gas es directamente proporcional a la temperatura kelvin. Por ejemplo, si la temperatura kelvin se reduce a la mitad, la presión se reduce a la mitad. Es decir, cualquier incremento en la presión aumenta la temperatura, mientras que cualquier disminución en la presión disminuirá la temperatura.

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En la derecha, la misma masa de gas a mayor temperatura y mismo volumen aumenta su presión proporcionalmente.

Ley de Dalton: En 1801 Dalton declaró sus conclusiones que hoy conocemos como la ley de las presiones parciales de Dalton. Esta ley establece que cada uno de los gases presentes en una mezcla de gases ejerce una presión parcial igual a la presión que ejercería como único gas presente en el mismo volumen. Entonces, la presión total de la mezcla es la suma de las presiones parciales de todos los gases.

1. ¿Qué es la termoquímica?

La termoquímica comprende el estudio de la medida o cálculo de los calores absorbidos o desprendidos en las reacciones químicas, y por esta razón estas cuestiones son de extraordinaria importancia práctica. También suministra la Termoquímica los datos con los que se pueden calcular las energías relativas o las entalpías contenidas en las sustancias químicas. Este aspecto trae como consecuencia que la termoquímica sea imprescindible para el estudio de los enlaces químicos y, suministra el material necesario para el estudio termodinámico de los equilibrios químicos.

1. Explicar los conceptos de calor de reacción, calor de formación, calor de solución.

Calor de reacción: En un sistema termodinámico cerrado en el que tenga lugar una reacción, se produce una rotura de enlaces y formación de otros, por lo que habrá una variación de la energía interna del sistema. Se denomina calor de reacción a la cantidad de energía calorífica que el sistema ha de ceder o absorber para que la temperatura permanezca constante durante todo el proceso de la reacción química. Si el medio exterior recibe energía la reacción se denomina exotérmica y si el sistema absorbe energía se llama endotérmica.

Calor de formación: es el cambio de temperatura que resulta de la formación de un mol de un compuesto de acuerdo a sus elementos en sus estados naturales. Si el elemento existe en más de una forma natural, se utiliza la forma más estable del elemento para la reacción de formación del compuesto.

Calor de solución: Es la variación de la entalpía relacionada al añadir una cantidad determinada de un soluto a una cantidad determinada de solvente cuando la temperatura y presión son constantes.

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D. ¿Qué es la electroquímica?

La electroquímica es la rama de la química que estudia las interacciones entre la energía eléctrica y las reacciones químicas. La electricidad que se hace pasar por una solución iónica genera reacciones químicas no espontáneas de oxidación-reducción; como caso especial está la galvanoplastia, que en casos particulares recibe los nombres de cromado, cobrizado, niquelado, baños de Oro, Baños de plata, etc. Las reacciones químicas espontáneas de oxidación y reducción generan energía eléctrica, en el caso de las pilas y baterías comerciales. Con base en estos procesos se explican los procesos de corrosión electrolítica que ocurren en los materiales metálicos.

1. ¿Qué es una celda voltaica (galvánica) y una celda electrolítica?

Las Celdas galvánicas, son un dispositivo en el que la transferencia de electrones, (de la semireacción de oxidación a la semireacción de reducción), se produce a través de un circuito externo en vez de ocurrir directamente entre los reactivos; de esta manera el flujo de electrones (corriente eléctrica) puede ser utilizado. 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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Las celdas electrolíticas por el contrario no son espontáneas y debe suministrarse energía para que funcionen. Al suministrar energía se fuerza una corriente eléctrica a pasar por la celda y se fuerza a que la reacción redox ocurra.  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.En todas las técnicas de análisis electroquímico podremos identificar algo en común: en todas ellas es posible encontrar una celda de medida, con un número variable de electrodos, (igual o mayor que dos), donde se realizará la determinación.

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1. Investiga celdas voltaicas de uso práctico.

La aplicación fundamental de la celda voltaica son: las pilas y el acumulador de plomo. Coloquialmente llamadas baterías, las cuales hay de diversos tipos dependiendo de sus componentes químicos. En la vida común cada vez que usamos baterías se utiliza el principio de la celda voltaica, ejemplos en la medicina las pila o batería de un marcapasos, la batería de tu teléfono móvil, la batería de tu I-pod, la baterías de laptop, no importa el tamaño o la forma de la batería su principio de funcionamiento es el mismo: la celda voltaica.

1. ¿Cuál es el impacto ambiental de las baterías y los acumuladores?

La fabricación de pilas necesita de un aporte de energía mucho mayor del que generarán éstas durante su utilización. Asimismo, para su producción se utiliza una gran cantidad de materias primas escasas, caras y no renovables como la plata o el platino.         La eliminación de estas pilas por incineración o desecho produce la liberación de sus componentes al medio ambiente, con el correspondiente daño para la salud. Entre estos componentes se encuentran varios metales pesados, algunos de ellos reconocidos como extremadamente tóxicos, cancerígenos, mutágenos o alergenos: cadmio, mercurio (usado como conservante), plomo, zinc, níquel, etc. Desgraciadamente, la mayoría de los usuarios opta por las pilas desechables, que solo en nuestro país suponen 2.500 toneladas anuales. Además, estos metales son muy persistentes, una sola pila de botón puede contaminar 400 litros de agua o un metro cúbico de tierra durante 50 años. 1 kg de pilas usadas puede contaminar entre 10 y 20 metros cúbicos de tierra… Se calcula que las dos terceras partes de las pilas usadas acaban en vertederos o en plantas incineradoras, con la consecuente contaminación de las capas freáticas y la atmósfera, respectivamente.

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