Conceptos químicos

Química. Teoría de Dalton. Efecto fotoeléctrico. Electrones. Radiactividad. Modelo atómico. Termodinámica

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Índice.

-Introducción Pág. 2.

-Teoría de Dalton Pág. 4.

-Efecto Fotoeléctrico Pág. 4-6.

-El Electrón Pág. 6-7.

-Radioactividad Pág.7-16.

  • Radiación Gamma.

  • Período de Desintegración.

  • Serie de Desintegración Radiactiva.

  • Radiación Artificial.

-Modelo Actual de Átomo Pág. 16-17.

-Termodinámica Pág. 17- 23.

  • Ámbito y Distinción.

  • Conceptos Básicos.

  • Principios de la Termodinámica.

  • Primer Principio.

  • Segundo Principio.

  • Tercer Principio.

  • Termodinámica Estática.

  • Leyes de la Termodinámica Estática.

-Conclusión. Pág. 24.

TEORÍA DE DALTON.

El profesor y químico británico John Dalton estaba fascinado por el “rompecabezas” de los elementos. A principios del siglo XIX estudió la forma en que los diversos elementos se combinan entre sí para formar compuestos químicos. Aunque muchos otros científicos, empezando por los antiguos griegos, habían afirmado ya que las unidades más pequeñas de una sustancia eran los átomos, se considera a Dalton una de las figuras más significativas de la teoría atómica porque la convirtió en algo cuantitativo. Mostró que los átomos se unían entre sí en proporciones definidas. Las investigaciones demostraron que los átomos suelen formar grupos llamados moléculas. Cada molécula de agua, por ejemplo, está formada por un único átomo de oxígeno (O) y dos átomos de hidrógeno (H) unidos por una fuerza eléctrica denominada enlace químico, por lo que el agua se simboliza como HOH o H2O.

Todos los átomos de un determinado elemento tienen las mismas propiedades químicas. Por tanto, desde un punto de vista químico, el átomo es la entidad más pequeña que hay que considerar. Las propiedades químicas de los elementos son muy distintas entre sí; sus átomos se combinan de formas muy variadas para formar numerosísimos compuestos químicos diferentes. Algunos elementos, como los gases nobles helio y neón, son inertes, es decir, no reaccionan con otros elementos salvo en condiciones especiales. Al contrario que el oxígeno, cuyas moléculas son biatómicas (formadas por dos átomos), el helio y otros gases inertes son elementos monoatómicos, con un único átomo por molécula.

Efecto fotoeléctrico,

Es la formación y liberación de partículas eléctricamente cargadas que se produce en la materia cuando es irradiada con luz u otra radiación electromagnética. El término efecto fotoeléctrico designa varios tipos de interacciones similares. En el efecto fotoeléctrico externo se liberan electrones en la superficie de un conductor metálico al absorber energía de la luz que incide sobre dicha superficie. Este efecto se emplea en la célula fotoeléctrica, donde los electrones liberados por un polo de la célula, la foto cátodo, se mueven hacia el otro polo, el ánodo, bajo la influencia de un campo eléctrico.

El estudio del efecto fotoeléctrico externo desempeñó un papel importante en el desarrollo de la física moderna. Una serie de experimentos iniciados en 1887 demostró que el efecto fotoeléctrico externo tenía determinadas características que no podían explicarse por las teorías de aquella época, que consideraban que la luz y todas las demás clases de radiación electromagnética se comportaban como ondas. Por ejemplo, a medida que la luz que incide sobre un metal se hace más intensa, la teoría ondulatoria de la luz sugiere que en el metal se liberarán electrones con una energía cada vez mayor. Sin embargo, los experimentos mostraron que la máxima energía posible de los electrones emitidos sólo depende de la frecuencia de la luz incidente, y no de su intensidad.

En 1905, para tratar de explicar el mecanismo del efecto fotoeléctrico externo, Albert Einstein sugirió que podría considerarse que la luz se comporta en determinados casos como una partícula, y que la energía de cada partícula luminosa, o fotón, sólo depende de la frecuencia de la luz. Para explicar el efecto fotoeléctrico externo, Einstein consideró la luz como un conjunto de "proyectiles" que chocan contra el metal. Cuando un electrón libre del metal es golpeado por un fotón, absorbe la energía del mismo. Si el fotón tiene la suficiente energía, el electrón es expulsado del metal. La teoría de Einstein explicaba muchas características del efecto fotoeléctrico externo, como por ejemplo el hecho de que la energía máxima de los electrones expulsados sea independiente de la intensidad de la luz. Según la teoría de Einstein, esta energía máxima sólo depende de la energía del fotón que lo expulsa, que a su vez sólo depende de la frecuencia de la luz. La teoría de Einstein se verificó por experimentos posteriores. Su explicación del efecto fotoeléctrico, con la demostración de que la radiación electromagnética puede comportarse en algunos casos como un conjunto de partículas, contribuyó al desarrollo de la teoría cuántica.

El término efecto fotoeléctrico también puede referirse a otros tres procesos: la fotoionización, la foto conducción y el efecto fotovoltaico. La fotoionización es la ionización de un gas por la luz u otra radiación electromagnética. Para ello, los fotones tienen que poseer la suficiente energía para separar uno o más electrones externos de los átomos de gas. En la foto conducción, los electrones de materiales cristalinos absorben energía de los fotones y llegan así a la gama de niveles de energía en la que pueden desplazarse libremente y conducir electricidad. En el efecto fotovoltaico, los fotones crean pares electrón-hueco en materiales semiconductores. En un transistor, este efecto provoca la creación de un potencial eléctrico en la unión entre dos semiconductores diferentes.

El Electrón,

Es un tipo de partícula elemental de carga negativa que forma parte de la familia de los leptones y que, junto con los protones y los neutrones, forma los átomos y las moléculas. Los electrones están presentes en todos los átomos y cuando son arrancados del átomo se llaman electrones libres.

Los electrones intervienen en una gran variedad de fenómenos físicos y químicos. Se dice que un objeto está cargado eléctricamente si sus átomos tienen un exceso de electrones (posee carga negativa) o un déficit de los mismos (posee carga positiva). El flujo de una corriente eléctrica en un conductor es causado por el movimiento de los electrones libres del conductor. La conducción del calor también se debe fundamentalmente a la actividad electrónica. El estudio de las descargas eléctricas a través de gases enrarecidos en los tubos de vacío fue el origen del descubrimiento del electrón. En los tubos de vacío, un cátodo calentado emite una corriente de electrones que puede emplearse para amplificar o rectificar una corriente eléctrica. Si esa corriente se enfoca para formar un haz bien definido, éste se denomina haz de rayos catódicos. Si se dirige el haz de rayos catódicos hacia un objetivo adecuado se producen rayos X; si se dirigen hacia la pantalla fluorescente de un tubo de televisión, se obtienen imágenes visibles. Las partículas beta que emiten algunas sustancias radiactivas son electrones.

Los electrones también intervienen en los procesos químicos. Una reacción química de oxidación es un proceso en el cual una sustancia pierde electrones, y una reacción de reducción es un proceso en el cual una sustancia gana electrones.

En 1906, el físico estadounidense Robert Andrews Millikan, mediante su experimento de “la gota de aceite”, determinó la carga del electrón: 1,602 × 10-19 culombios; su masa en reposo es 9,109 × 10-31 Kg. La carga del electrón es la unidad básica de electricidad y se considera la carga elemental en el sentido de que todos los cuerpos cargados lo están con un múltiplo entero de dicha carga. El electrón y el protón poseen la misma carga, pero, convencionalmente, la carga del protón se considera positiva y la del electrón negativa.

Radiactividad.

Es la desintegración espontánea de núcleos atómicos mediante la emisión de partículas subatómicas llamadas partículas alfa y partículas beta, y de radiaciones electromagnéticas denominadas rayos X y rayos gamma. El fenómeno fue descubierto en 1896 por el físico francés Antoine Henri Becquerel al observar que las sales de uranio podían ennegrecer una placa fotográfica aunque estuvieran separadas de la misma por una lámina de vidrio o un papel negro. También comprobó que los rayos que producían el oscurecimiento podían descargar un electroscopio, lo que indicaba que poseían carga eléctrica. En 1898, los químicos franceses Marie y Pierre Curie dedujeron que la radiactividad es un fenómeno asociado a los átomos e independiente de su estado físico o químico. También llegaron a la conclusión de que la pechblenda, un mineral de uranio, tenía que contener otros elementos radiactivos ya que presentaba una radiactividad más intensa que las sales de uranio empleadas por Becquerel. El matrimonio Curie llevó a cabo una serie de tratamientos químicos de la pechblenda que condujeron al descubrimiento de dos nuevos elementos radiactivos, el polonio y el radio. Marie Curie también descubrió que el torio es radiactivo. En 1899, el químico francés André Louis Debierne descubrió otro elemento radiactivo, el actinio. Ese mismo año, los físicos británicos Ernest Rutherford y Frederick Soddy descubrieron el gas radiactivo radón, observado en asociación con el torio, el actinio y el radio

Pronto se reconoció que la radiactividad era una fuente de energía más potente que ninguna de las conocidas. Los Curie midieron el calor asociado con la desintegración del radio y establecieron que 1 gramo de radio desprende aproximadamente unos 420 julios (100 calorías) de energía cada hora. Este efecto de calentamiento continúa hora tras hora y año tras año, mientras que la combustión completa de un gramo de carbón produce un total de 34.000 julios (unas 8.000 calorías) de energía. Tras estos primeros descubrimientos, la radiactividad atrajo la atención de científicos de todo el mundo. En las décadas siguientes se investigaron a fondo muchos aspectos del fenómeno.

Tipos de Radiación.

Rutherford descubrió que las emisiones radiactivas contienen al menos dos componentes: partículas alfa, que sólo penetran unas milésimas de centímetro en el aluminio, y partículas beta, que son casi 100 veces más penetrantes. En experimentos posteriores se sometieron las emisiones radiactivas a campos eléctricos y magnéticos, y estas pruebas pusieron de manifiesto la presencia de un tercer componente, los rayos gamma, que resultaron ser mucho más penetrantes que las partículas beta. En un campo eléctrico, la trayectoria de las partículas beta se desvía mucho hacia el polo positivo, mientras que la de las partículas alfa lo hace en menor medida hacia el polo negativo; los rayos gamma no son desviados en absoluto. Esto indica que las partículas beta tienen carga negativa, las partículas alfa tienen carga positiva (se desvían menos porque son más pesadas que las partículas beta) y los rayos gamma son eléctricamente neutros

El descubrimiento de que la desintegración del radio produce radón demostró de forma fehaciente que la desintegración radiactiva está acompañada de un cambio en la naturaleza química del elemento que se desintegra. Los experimentos sobre la desviación de partículas alfa en un campo eléctrico demostraron que la relación entre la carga eléctrica y la masa de dichas partículas es aproximadamente la mitad que la del Ion hidrógeno. Los físicos supusieron que las partículas podían ser iones helio con carga doble (átomos de helio a los que les faltaban dos electrones). El Ion helio tiene una masa unas cuatro veces mayor que el de hidrógeno, lo que supondría que su relación carga-masa sería efectivamente la mitad que la del Ion hidrógeno. Esta suposición fue demostrada por Rutherford cuando hizo que una sustancia que emitía partículas alfa se desintegrara cerca de un recipiente de vidrio de paredes finas en el que se había hecho el vacío. Las partículas alfa podían atravesar el vidrio y quedaban atrapadas en el recipiente; al cabo de unos días pudo demostrarse la presencia de helio elemental utilizando un espectroscopio. Más tarde se demostró que las partículas beta eran electrones, mientras que los rayos gamma eran radiaciones electromagnéticas de la misma naturaleza que los rayos X pero con una energía considerablemente mayor.

En la época en que se descubrió la radiactividad, los físicos creían que el átomo era el bloque de materia último e indivisible. Después se comprobó que las partículas alfa y beta son unidades discretas de materia, y que la radiactividad es un proceso en el que los átomos se transforman (mediante la emisión de una de estas dos partículas) en nuevos tipos de átomos con propiedades químicas nuevas. Esto llevó al reconocimiento de que los propios átomos deben tener una estructura interna, y que no son las partículas últimas y fundamentales de la naturaleza.

En 1911, Rutherford demostró la existencia de un núcleo en el interior del átomo mediante experimentos en los que se desviaban partículas alfa con láminas delgadas de metal. Desde entonces, la hipótesis nuclear ha evolucionado hasta convertirse en una teoría muy elaborada de la estructura atómica, que permite explicar todo el fenómeno de la radiactividad. En resumen, se ha comprobado que el átomo está formado por un núcleo central muy denso, rodeado por una nube de electrones. El núcleo, a su vez, está compuesto de protones, cuyo número es igual al de electrones (en un átomo no ionizado), y de neutrones. Estos últimos son eléctricamente neutros y su masa es aproximadamente igual a la de los protones. Una partícula alfa (un núcleo de helio con carga doble) está formada por dos protones y dos neutrones, por lo que sólo puede ser emitida por el núcleo de un átomo. Cuando un núcleo pierde una partícula alfa se forma un nuevo núcleo, más ligero que el original en cuatro unidades de masa (las masas del neutrón y el protón son de una unidad aproximadamente). Cuando un átomo del isótopo de uranio con número másico 238 emite una partícula alfa, se convierte en un átomo de otro elemento, con número másico 234. (El número másico de un núcleo es el número total de neutrones y protones que contiene; es aproximadamente igual a su masa expresada en unidades de masa atómica). Cada uno de los dos protones de la partícula alfa tiene una carga eléctrica positiva de valor unidad. El número de cargas positivas del núcleo, equilibrado por el mismo número de electrones negativos en las órbitas exteriores al núcleo, determina la naturaleza química del átomo. Como la carga del uranio 238 disminuye en dos unidades como resultado de la emisión alfa, el número atómico del átomo resultante es menor en dos unidades al original, que era de 92. El nuevo átomo tiene un número atómico de 90, y es un isótopo del elemento torio. Véase Elemento químico; Física nuclear.

El torio 234 emite partículas beta, es decir, electrones. La emisión beta se produce a través de la transformación de un neutrón en un protón, lo que implica un aumento de la carga nuclear (o número atómico) en una unidad. La masa de un electrón es despreciable, por lo que el isótopo producido por la desintegración del torio 234 tiene un número másico de 234 y un número atómico de 91; se trata de un isótopo del protactinio.

Radiación gamma.

Las emisiones alfa y beta suelen ir asociadas con la emisión gamma. Los rayos gamma no poseen carga ni masa; por tanto, la emisión de rayos gamma por parte de un núcleo no conlleva cambios en su estructura, sino simplemente la pérdida de una determinada cantidad de energía radiante. Con la emisión de estos rayos, el núcleo compensa el estado inestable que sigue a los procesos alfa y beta. La partícula alfa o beta primaria y su rayo gamma asociado se emiten casi simultáneamente. Sin embargo, se conocen algunos casos de emisión alfa o beta pura, es decir, procesos alfa o beta no acompañados de rayos gamma; también se conocen algunos isótopos que emiten rayos gamma de forma pura. Esta emisión gamma pura tiene lugar cuando un isótopo existe en dos formas diferentes, los llamados isómeros nucleares, con el mismo número atómico y número másico pero distintas energías. La emisión de rayos gamma acompaña a la transición del isómero de mayor energía a la forma de menor energía. Un ejemplo de esta isomería es el isótopo protactinio 234, que existe en dos estados de energía diferentes, y en el que la emisión de rayos gamma indica la transición de uno al otro.

Los núcleos emiten la radiación alfa, beta y gamma a velocidades enormes. Las partículas alfa resultan frenadas y detenidas al pasar por la materia, sobre todo debido a su interacción con los electrones de dicha materia. Casi todas las partículas alfa emitidas por una misma sustancia salen de los núcleos con una velocidad prácticamente igual; por ejemplo, la mayoría de las emitidas por el polonio 210 viajan 3,8 cm. por el aire antes de quedar detenidas completamente, mientras que las emitidas por el polonio 212 avanzan 8,5 cm. La medida de la distancia recorrida por las partículas alfa se emplea para identificar isótopos. Las partículas beta se emiten a velocidades mucho mayores que las partículas alfa, por lo que penetran bastante más en la materia, aunque el mecanismo de frenado es esencialmente similar. Sin embargo, a diferencia de las partículas alfa, las partículas beta son emitidas a muchas velocidades diferentes, y sus emisores se distinguen entre sí por las velocidades máxima y media características de sus partículas beta. La distribución de las energías de las partículas beta (y por tanto de sus velocidades) exige la hipótesis de la existencia de una partícula sin carga ni masa denominada neutrino; todas las desintegraciones beta están acompañadas de una emisión de neutrinos. La distancia recorrida por los rayos gamma es varias veces mayor que la de las partículas beta, y en algunos casos estos rayos pueden atravesar varios centímetros de plomo. Cuando las partículas alfa y beta atraviesan la materia originan la formación de numerosos iones; esta ionización es especialmente fácil de observar cuando la materia es gaseosa. Los rayos gamma no tienen carga, por lo que no causan tanta ionización. Las partículas beta producen entre t y z de la ionización generada por las partículas alfa en cada centímetro de su trayectoria en aire. Los rayos gamma producen aproximadamente t de la ionización de las partículas beta. El contador de Geiger-Müller y otras cámaras de ionización se basan en estos principios y se emplean para detectar las cantidades de radiación alfa, beta y gamma y, por tanto, la tasa absoluta de desintegración o actividad de las sustancias radiactivas. Una de las unidades de actividad radiactiva, el curio, se basa en la tasa de desintegración del radio 226, que corresponde a 37.000 millones de desintegraciones por segundo por cada gramo de radio.

Existen formas de desintegración radiactiva diferentes de las tres que se han mencionado. Algunos isótopos pueden emitir positrones, que son idénticos a los electrones pero de carga opuesta. Esta emisión suele clasificarse también como desintegración beta, y se denomina emisión beta más (ß+) o positrón para distinguirla de la emisión de electrones negativos, más común. Se cree que la emisión de positrones se lleva a cabo mediante la conversión de un protón del núcleo en un neutrón, lo que provoca el descenso del número atómico en una unidad. Otra forma de desintegración, conocida como captura de electrón K, consiste en la captura de un electrón por parte del núcleo, seguida de la transformación de un protón en un neutrón. El resultado global también es la reducción del número atómico en una unidad. Este proceso sólo es observable porque la desaparición del electrón de su órbita provoca la emisión de rayos X. Algunos isótopos, en particular el uranio 235 y varios isótopos de los elementos transuránicos, pueden desintegrarse mediante un proceso de fisión espontánea en el que el núcleo se divide en dos fragmentos. A mediados de la década de 1980, se observó una forma de desintegración única en la que los isótopos del radio con números másicos 222, 223 y 224 emiten núcleos de carbono 14 en lugar de desintegrarse en la forma normal emitiendo partículas alfa.

Periodo de Semidesintegración.

La desintegración de algunas sustancias, como el uranio 238 o el torio 232, parece continuar indefinidamente sin que disminuya de forma detectable la tasa de desintegración por unidad de masa del isótopo (tasa de desintegración específica). Otras sustancias radiactivas muestran una marcada reducción de la tasa de desintegración específica a lo largo del tiempo. Un ejemplo es el isótopo torio 234 (llamado originalmente uranio X), que una vez separado del uranio reduce su tasa de desintegración específica a la mitad en 25 días. Cada sustancia radiactiva tiene un periodo de semidesintegración; en algunos isótopos es tan prolongado que los métodos actuales no permiten observar la disminución de la tasa de desintegración específica a lo largo del periodo de estudio. El torio 232, por ejemplo, tiene un periodo de semidesintegración de 14.000 millones de años.

Serie de desintegración Radiactiva.

Cuando el uranio 238 se desintegra mediante emisión alfa, se forma torio 234; éste es un emisor beta y se desintegra para formar protactinio 234, que a su vez, es un emisor beta que da lugar a un nuevo isótopo del uranio, el uranio 234. Este isótopo se desintegra mediante emisión alfa para formar torio 230, que también se desintegra mediante emisión alfa y produce el isótopo radio 226. Esta serie de desintegración radiactiva, denominada serie uranio-radio, continúa de forma similar con otras cinco emisiones alfa y otras cuatro emisiones beta hasta llegar al producto final, un isótopo no radiactivo (estable) del plomo (el elemento 82) con número másico 206. En esta serie están representados todos los elementos de la tabla periódica situados entre el uranio y el plomo, y cada isótopo puede distinguirse por su periodo de semidesintegración característico. Todos los miembros de esta serie tienen un rasgo común: si se resta 2 a sus números másicos se obtienen números exactamente divisibles por 4, es decir, sus números másicos pueden expresarse mediante la sencilla fórmula 4n + 2, donde n es un número entero. Otras series radiactivas naturales son la serie del torio, llamada serie 4n porque los números másicos de todos sus miembros son exactamente divisibles por cuatro, y la serie del actinio o serie 4n + 3. El elemento original de la serie del torio es el isótopo torio 232, y su producto final es el isótopo estable plomo 208. La serie del actinio empieza con el uranio 235 (llamado originalmente actino uranio por los investigadores) y acaba en el plomo 207. En los últimos años se ha descubierto y estudiado en profundidad una cuarta serie, la serie 4n + 1, en la que todos son elementos radiactivos artificiales. Su miembro inicial es un isótopo del elemento artificial curio, el curio 241. Contiene el isótopo más duradero del elemento neptunio, y su producto final es el bismuto 209.

Una aplicación interesante del conocimiento de los elementos radiactivos es su uso en la determinación de la edad de la Tierra. Un método para determinar la edad de una roca se basa en el hecho de que, en muchos minerales de uranio y torio (que se están desintegrando desde su formación), las partículas alfa han quedado atrapadas (en forma de átomos de helio) en el interior de la roca. Determinando con precisión las cantidades relativas de helio, uranio y torio que hay en la roca, puede calcularse el tiempo que llevan ocurriendo los procesos de desintegración (es decir, la edad de la roca). Otro método se basa en la determinación de la relación que existe en la roca entre las cantidades de uranio 238 y plomo 206, o de torio 232 y plomo 208 (o sea, las relaciones entre la concentración de los miembros inicial y final de las series de desintegración). Estos y otros métodos arrojan valores de la edad de la Tierra que oscilan en torno a unos 4.600 millones de años. Se han obtenido valores similares en meteoritos que han caído a la superficie terrestre y en muestras lunares traídas por el Apolo 11 en julio de 1969, lo que indica que todo el Sistema Solar tiene probablemente una edad similar a la Tierra.

Radiación Artificial.

Todos los isótopos naturales situados por encima del bismuto en la tabla periódica son radiactivos; además, existen isótopos naturales radiactivos del bismuto, el talio, el vanadio, el indio, el neodimio, el gadolinio, el hafnio, el platino, el plomo, el renio, el lutecio, el rubidio, el potasio, el hidrógeno, el carbono, el lantano y el samario. En 1919, Rutherford provocó la primera reacción nuclear inducida artificialmente al bombardear gas nitrógeno corriente (nitrógeno 14) con partículas alfa; comprobó que los núcleos de nitrógeno capturaban estas partículas y emitían protones muy rápidamente, con lo que formaban un isótopo estable del oxígeno, el oxígeno 17. Esta reacción puede escribirse en notación simbólica como:

¨N + ¸He? ©O + §H

Donde, por convenio, se escriben los números atómicos de los núcleos implicados como subíndices y a la izquierda de sus símbolos químicos, y sus números másicos como superíndices. En la reacción anterior, la partícula alfa se expresa como un núcleo de helio, y el protón como un núcleo de hidrógeno.

Hasta 1933 no se demostró que estas reacciones nucleares podían llevar en ocasiones a la formación de nuevos núcleos radiactivos. Los químicos franceses Irène y Frédéric Joliot-Curie produjeron aquel año la primera sustancia radiactiva bombardeando aluminio con partículas alfa. Los núcleos de aluminio capturaban estas partículas y emitían neutrones, con lo que se formaba un isótopo de fósforo que se desintegraba por emisión de positrones, con un periodo de semidesintegración muy corto. Los Joliot-Curie también produjeron un isótopo de nitrógeno a partir de boro, y uno de aluminio a partir de magnesio. Desde entonces se han descubierto muchísimas reacciones nucleares, y se han bombardeado los núcleos de todos los elementos de la tabla periódica con distintas partículas, entre ellas partículas alfa, protones, neutrones y deuterones (núcleos de deuterio, el isótopo de hidrógeno de número másico 2). Como resultado de esta investigación intensiva se conocen en la actualidad más de 400 elementos radiactivos artificiales. Esta investigación se ha visto favorecida por el desarrollo de aceleradores de partículas que comunican velocidades enormes a las partículas empleadas en el bombardeo, con lo que en muchos casos aumenta la probabilidad de que sean capturadas por los núcleos utilizados como objetivo.

El estudio de las reacciones nucleares y la búsqueda de nuevos isótopos radiactivos artificiales, sobre todo entre los elementos más pesados, llevó al descubrimiento de la fisión nuclear y al posterior desarrollo de la bomba atómica. También se descubrieron varios elementos nuevos que no existen en la naturaleza. El desarrollo de reactores nucleares hizo posible la producción a gran escala de isótopos radiactivos de casi todos los elementos de la tabla periódica, y la disponibilidad de estos isótopos supone una ayuda incalculable para la investigación química y biomédica. Entre los isótopos radiactivos producidos artificialmente tiene gran importancia el carbono 14, con un periodo de semidesintegración de 5.730 ± 40 años. La disponibilidad de esta sustancia ha permitido investigar con mayor profundidad numerosos aspectos de procesos vitales, como la fotosíntesis.

En la atmósfera terrestre existe una cantidad muy pequeña de carbono 14, y todos los organismos vivos asimilan trazas de este isótopo durante su vida. Después de la muerte, esta asimilación se interrumpe, y el carbono radiactivo, que se desintegra continuamente, deja de tener una concentración constante. Las medidas del contenido de carbono 14 permiten calcular la edad de objetos de interés histórico o arqueológico, como huesos o momias.

En el análisis de activación de neutrones se coloca una muestra de una sustancia en un reactor nuclear para hacerla radiactiva. Detectando los tipos de radiactividad asociados con los radioisótopos correspondientes es posible encontrar impurezas que no pueden ser detectadas por otros medios. Otras aplicaciones de los isótopos radiactivos se dan en la terapia médica (véase Radiología), la radiografía industrial, y ciertos dispositivos específicos como fuentes de luz fosforescente, eliminadores estáticos, calibradores de espesor o pilas nucleares.

Modelo Actual del Átomo.

Entre los conocimientos actuales o no sobre el átomo, que han mantenido su veracidad se consideran los siguientes:

  • La presencia de in núcleo atómico con las partículas conocidas, la casi totalidad de la masa atómica en un volumen muy pequeño.

  • Los estados estacionarios o niveles de energía fundamentales en los cuales se distribuyen los electrones de acuerdo a su contenido energético.

  • La dualidad de la materia (carácter onda-partícula), aunque no tenga consecuencias prácticas al tratarse de objetos de gran masa. En la casa de partículas pequeñas (como los electrones) la longitud de onda tiene un valor comparable con las dimensiones del átomo.

  • La probabilidad en lugar de certeza, en cuanto a la posición, energía y movimiento de un electrón, debido a la imprecisión de los estudios por el uso de la luz de baja frecuencia.

Edwin Schodinger ideó el modelo atómico actual, llamado “Ecuación de Onda”; una fórmula matemática que considera los aspectos anteriores.

La solución de esta ecuación es la función de onda, se lee psi, y es una medida de la probabilidad de encontrar al electrón con un cierto espacio. En este modelo, el área donde hay mayor probabilidad de encontrar al electrón se denomina orbital.

La Función de onda depende de los valores de tres variables que reciben el nombre de números cuánticos. Cada conjunto de números cuánticos definen una función específica para un electrón.

TERMODINÁMICA

La teoría de la entropía, uno de los fundamentos de los estudios termodinámicos, propugna la tendencia generalizada al desorden en la estructura íntima de la materia acompañada de una paulatina pérdida de la capacidad de movimiento que provocaría, en el último grado de la hipótesis, la muerte térmica del universo y su desaparición por inmovilidad total.

La termodinámica es la disciplina de la física que persigue el estudio sistemático de las relaciones existentes entre el calor, la temperatura y la energía.

Ámbito y distinción de ramas.

Las interacciones entre diferentes sistemas se originan en la tendencia de los entes físicos a alcanzar los estados de equilibrio estable, caracterizados por una cantidad mínima de energía, mediante el intercambio de materia y energía. La manifestación de tales transacciones es la variación de las propiedades termodinámicas externas, como la temperatura, la presión, el volumen y la disposición de las partículas que, asociada a las anteriores, determina la fase física de la sustancia. La ciencia de la termodinámica pretende describir con una formulación matemática concisa la magnitud y la naturaleza de estos cambios producidos en la estructura y las propiedades de la materia, así como el análisis de cada paso de tales procesos.

Conceptos básicos de la termodinámica.

La ciencia termodinámica se inspira en tres nociones fundamentales para explicar los fenómenos físicos: sistema, colección identificable de elementos de materia que pueden separarse por distintos procedimientos; estado, condición en la que se encuentra un sistema en un instante dado; y propiedades, manifestaciones mensurables del estado de un sistema.

El objeto de la termodinámica consiste en determinar los cambios de estado de un sistema a través de las variaciones observadas en sus propiedades. La interacción entre dos sistemas que produce un cambio de estado en alguno de ellos se denomina trabajo, mientras que el calor se puede definir como una transformación del trabajo en energía disipada. El valor del trabajo es direccional y depende de la trayectoria a lo largo de la cual se aplica. Por convención, el trabajo se define positivo cuando lo realiza el propio sistema, y negativo si procede del exterior.

En los estudios termodinámicos se distinguen tres categorías ambientales de características específicas: condiciones libres en las que un sistema puede someterse a todo tipo de injerencias externas; condiciones adiabáticas, definidas por la ausencia de pérdida o ganancia de calor por parte del sistema; y condiciones de aislamiento, en las que el sistema no intercambia trabajo ni calor con el exterior.

Un estado particular de especial interés en los sistemas termodinámicos es el equilibrio, definido como aquel al que tiende naturalmente el sistema y que, una vez alcanzado, no abandona salvo por la acción de trabajos externos. Un estado de equilibrio se dice inestable si la pequeña acción de una fuerza sobre él basta para romperlo, y estable en caso contrario.

Se denominan procesos reversibles aquellos que son capaces de recuperar el estado inicial desde el final a que los ha conducido dicho proceso. Los mecanismos irreversibles se verifican entre estados irrecuperables por inversión del proceso.

Las propiedades de energía, entropía, calor y temperatura se definen de modo estricto como consecuencia de las leyes fundamentales de la termodinámica.

Principios de la termodinámica clásica

Desarrolladas durante el siglo XIX y enunciadas en su definitiva formulación matemática en los inicios del XX, las leyes de la termodinámica clásica establecen en virtud de consideraciones macroscópicas de la materia el comportamiento de los procesos físicos que entrañan intercambios de energía.

Primer principio.

El enunciado del primer principio de la termodinámica postula que, en condiciones adiabáticas, la totalidad del trabajo que actúa sobre un sistema se puede expresar como la diferencia entre dos valores característicos del estado inicial y final del sistema.

Consecuentemente, el resultado del trabajo en estas condiciones es independiente de la trayectoria sobre la que se aplica. Tal principio conduce a la definición de energía, o energía interna, como la magnitud física descrita por el valor del trabajo en un sistema sometido a una interacción.

De aquí se infiere la equivalencia entre trabajo y energía en condiciones adiabáticas, que se consigna matemáticamente como:

E2 - E1 = - Wa21

Siendo E1 la energía del estado inicial; E2, la energía del estado final; y Wa21, el trabajo adiabático asociado.

La generalización del primer principio a condiciones no adiabáticas lleva a la consideración del calor como un trabajo no útil ligado al cambio de estado de un sistema, que se incluye en la anterior expresión como Q21:

E2 - E1 = - Wa21 + Q21

Según esta ley, la energía, el trabajo y el calor son manifestaciones interrelacionadas de un fenómeno único y se definen en física con las mismas unidades (normalmente, el julio). Si un sistema evoluciona hacia estados de menor energía (E2 < E1) se produce espontáneamente un trabajo mecánico equivalente a la pérdida energética, la disipación de un calor o ambos fenómenos de modo simultáneo. Por el contrario, la ganancia de energía de un sistema requiere la aplicación de un trabajo externo, parte del cual se consumirá habitualmente en calor.

Cabe reseñar a este respecto la importancia de la noción de entalpía (H), función de estado que caracteriza un cuerpo fluido (gas o líquido) y cuya expresión es:

H = U + PV

Siendo U la energía interna, P la presión y V el volumen del sistema termodinámico.

Como corolario inmediato del primer principio de la termodinámica se deduce la ley de la conservación de la energía: en sistemas aislados (con ausencia de trabajo y de calor), la energía total del sistema se conserva durante sus cambios de estado. Matemáticamente, si Wa21 y Q21 son nulos, resulta:

E2 = E1

Entre dos estados cualesquiera del sistema.Una derivación de la primera ley de la termodinámica es la justificación teórica de la imposibilidad de la existencia de móviles perpetua de primera especie, artilugios ideales capaces de moverse indefinidamente sin la acción de ninguna fuerza sobre ellos. Por argumentaciones termodinámicas, el cambio de estado de un sistema entre dos niveles de energía precisa

Ineluctablemente la intervención de un trabajo.

Segundo principio.

La formulación clásica del segundo principio de la termodinámica establece que no es posible ningún proceso espontáneo cuyo único resultado sea el paso de calor de un medio a otro de mayor temperatura.

Este principio niega pues la existencia del móvil perpetuo de segunda especie, objeto ideal que absorbería energía de un medio caliente y la invertiría en la consecución de un movimiento (por ejemplo, un barco que avanzara sin más que recoger agua de mar, tomar su energía y desechar los bloques de hielo resultantes). Asimismo, define el principio de único estado de equilibrio estable que corresponde a cada conjunto de valores de la energía.

La enunciación del segundo principio se modificó a finales del siglo XIX con la definición del concepto de entropía, magnitud física que proporciona una idea del grado de desorden de la energía interna y describe la cantidad de energía no aprovechable de un sistema, esto es, no convertible en trabajo. De este modo, cuando la entropía de un sistema alcanza su máximo, el sistema permanece totalmente desordenado e incapaz de sufrir cambios de estado, con lo que no se registra en él ningún tipo de movimiento.

En un sistema en el que se verifica una transformación desde un estado inicial a otro final, existe un cambio de entropía definido por el cociente entre el calor cedido o captado por dicho sistema durante el proceso y una variable denominada temperatura termodinámica que amplía el concepto normal de temperatura.

Matemáticamente: con S1, entropía del estado inicial; S2, del estado final; T,

Temperatura termodinámica; y Q21 calor.

El segundo principio puede enunciarse a partir de la noción de entropía: en un sistema aislado, la entropía global nunca decrece. Esta ley es evolutiva, al contemplar el conjunto del universo como un sistema aislado en el que se registra un permanente incremento de la entropía que distingue entre pasado y futuro.

En general, la tendencia de todos los sistemas consiste en alcanzar el equilibrio, estado de mínima energía y máxima entropía; a tal estado se tiende mediante el desorden de las estructuras energéticas de la materia. De esta forma, el principio de la entropía es quizá el regulador más universal de las actividades naturales conocidas por la ciencia.

Tercer principio.

El concepto de temperatura aparece en termodinámica como la cantidad matemática que relaciona el calor con la entropía. El tercer principio de la termodinámica restringe la relación entre estas tres magnitudes al postular la existencia de un valor mínimo insuperable para la temperatura fijado en el origen de la escala absoluta de Kelvin (0 kelvinios o -273 °C).

Termodinámica estadística.

La introducción de la temperatura en la mayoría de las aplicaciones físicas se realiza a través de las leyes de la termodinámica estadística, desarrollada desde la segunda mitad del siglo XIX por Ludwig Boltzmann, Josiah Willard Gibbs y James Clerk Maxwell.

La primera hipótesis de la termodinámica estadística defiende la composición de la materia en moléculas, átomos y partículas elementales. Si bien es imposible determinar el comportamiento de cada unidad de materia, esta ciencia establece magnitudes promediadas para las distintas propiedades de cada estado de un sistema, para lo que considera un conjunto de premisas generales.

1. En un estado físico determinado la mayoría de los valores de las propiedades de las partículas de un sistema quedan delimitados por un estrecho margen. La expresión de este principio adopta como modelo la ley de distribución de velocidades de Maxwell que, reflejo de la agitación que produce una perturbación sobre un sistema, se representa gráficamente en la curva:

2. Las propiedades de un sistema provienen de la acumulación de las propiedades de sus componentes elementales.

3. Dada la imposibilidad del análisis de cada partícula, se emplean como base matemática de la termodinámica estadística los conceptos de probabilidad y estadística.

4. La termodinámica estadística se inspira en la teoría atómica y en las leyes del electromagnetismo y la espectroscopia, descubierta a finales del siglo XIX. Un espectro es la imagen gráfica de las frecuencias (número de ciclos de onda por unidad de tiempo) o longitudes de onda (longitud de un ciclo completo) de la radiación electromagnética que emite o absorbe un átomo. El rango del espectro electromagnético cubre las radiaciones gamma, X, ultravioleta, visible, infrarroja, de radio, hertziana, etc.

Las leyes básicas de la termodinámica estadística.

1. Ley de Wien, debida al alemán Wilhelm Wien, que declara que la longitud de onda correspondiente a la intensidad máxima dentro de un espectro es inversamente proporcional a la temperatura del cuerpo emisor.

2. Ley de Stefan-Boltzmann, que postula que la cantidad total de energía emitida por un cuerpo radiante es directamente proporcional a su temperatura elevada a la cuarta potencia.

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