Efecto de la presión sobre el volumen

Si tomas una jeringa, le sacas el émbolo hasta la marca de su capacidad y obstruyes la salida del aire por su pivote, ya sea colocándole un tapón o clavándola en un tapón de hule, y posteriormente la sujetas fuertemente en posición vertical y le vas colocando encima cuerpos de peso semejante, ¿qué observas?.

Figura 6. La presión del aire encerrado en la jeringa es igual a la suma de los pesos del émbolo, de la plataforma y del libro, dividida entre la superficie del extremo del émbolo más la presión de la atmósfera.

Este fenómeno fue estudiado independientemente por Robert Boyle (1627-1691) y por Edmond Mariotte (1620-1684), quienes emplearon un aparato similar al que se muestra

Figura 7. Aparato de Boyle. La presión sobre el gas atrapado en el extremo cerrado del tubo puede cambiarse añadiendo más mercurio a través del extremo abierto. En la medida en que aumenta la presión sobre el gas, disminuye su volumen.

En la tabla 1 se resumen los resultados de las medidas de presión y volumen realizadas con el hidrógeno a temperatura ambiente. En la cual observarás cómo el producto de la presión por volumen es constante.

Tabla 1. Compresión del hidrógeno gaseoso a 25 ºC

Como conclusión de estas observaciones se estableció la llamada Ley de Boyle-Mariotte, la cual expresa que:

“El volumen de una masa constante de gas varía inversamente con la presión ejercida sobre el mismo, si la temperatura se mantiene constante.”

Su expresión matemática es: 1

vD (a masa y temperatura constante).

PEs decir: PV = constante, o lo que es lo mismo, para un proceso con condiciones iniciales y

finales: Pi Vi = Pf Vf (a masa y temperatura constante). Donde: Pi, Vi = presión y volumen iniciales. Pf, Vf = presión y volumen finales.

Ejemplo:

Una muestra de nitrógeno (N2) ocupa un volumen de dos litros y se encuentra a una presión de 0.76 atm. ¿Cuál será el volumen que ocupará en litros si la presión aumenta al doble, manteniendo constante la temperatura?.

Datos Fórmula Despeje

^Pi^Vi

Vi = 2L PiVi = PfVf V_f = ^P_f

Pi = 0.76 atm

Vf = ?

Pf = 2 (0.76 atm) = 1.52 atm

Sustitución

Como ves, el hombre ha adquirido un gran poder con el desarrollo de la ciencia, en la que se incluye la Química, que es producto de siglos de estudio sobre la composición y la transformación de las sustancias y sobre su posible utilización para mejorar nuestra calidad de vida.

La Química y la Prehistoria.

Los primeros hombres que poblaron la Tierra tomaron los objetos de la naturaleza tal como los encontraban: la rama de un árbol como un garrote, una piedra como un proyectil, los frutos de los árboles para mitigar su hambre, etcétera.

Con el paso del tiempo, los hombres empezaron a transformar la naturaleza Primero aprendieron a tallar las piedras, dándoles un borde cortante y una forma que permitiera sujetarlas fácilmente. El siguiente paso consistió en unir la piedra a un trozo de madera. Pero la piedra seguía siendo piedra y la madera seguía siendo madera.

En ocasiones en la naturaleza ocurrían cambios muy rápidos. Un rayo podía incendiar un bosque y reducirlo a cenizas, la carne se descomponía y olía mal, y el jugo de las frutas podía agriarse con el tiempo, o convertirse en una bebida estimulante; estos cambios que sufría la materia alteraban su estructura fundamental; dicho en otras palabras, ocurría un cambio químico.

Una de las primeras reacciones químicas llevadas a cabo voluntariamente por el hombre ocurrió probablemente cuando fue capaz de producir y mantener el fuego, esto implicó que tuviera que secar la madera, reducir una parte a pequeñas porciones para facilitar su encendido y emplear algún método como el frotamiento para alcanzar el punto de ignición.

Posteriormente descubrió que el calor generado por el fuego producía alteraciones en los alimentos cambiando su color, textura y sabor; lo que hoy se conoce como cocción de los alimentos. Avanzando a tientas, el hombre fue adquiriendo paulatinamente conocimiento químicos. En ocasiones era gracias a la casualidad, pero principalmente fue la necesidad de elaborar los materiales y alimentos para satisfacer sus necesidades la que lo guió en este largo aprendizaje.

La Química en la época de los Egipcios.

Algunos milenios antes de nuestra era, los egipcios dominaban técnicas de metalurgiapara producir bronce, así como de fermentación para el vino, cerveza y pan. Disponían de empresas prósperas que fabricaban diversos productos como: tintes, medicamentos, jabones, perfumes, vidrio, etcétera. Todas estas actividades involucraban procesos químicos, aunque, hablando con propiedad, la Química aún no había nacido.

Según algunos autores, la palabra Khemeia deriva del nombre que los egipcios daban a su país Kham, por lo que se puede traducir como “el arte egipcio”. Otros señalan que Khemeia proviene del griego Khumos, que significa “el jugo de una planta” de tal manera que se podría traducir como “el arte de extraer jugos”. Pero sea el origen que fuere, la palabra Khemeia es el antecedente del vocablo químico.

La Química en la época de los Griegos.

Hacia el año 600 a. de C., los griegos sintieron la necesidad de comprender y explicar los fenómenos que les revelaba la práctica de las artes químicas. Fueron los filósofos y no los artesanos quienes elaboraron las primeras teorías sobre la materia. Por esa época, los griegos creían que todos los cuerpos derivaban de las propiedades de “cuatro elementos” aire, tierra, agua y fuego. A éstos se añadía, según algunos, un elemento inmaterial, que al unirse a uno de los cuatro elementos anteriores lo transformaba en otro.

Hasta este momento ¿qué importancia ha tenido la Química para el ser humano?.

La Química en la Edad Media.

La Edad Media heredó estos conocimientos e hipótesis de la antigüedad y algunos hombres buscaron en vano dos sustancias de propiedades maravillosas: la panacea,

o elixir de larga vida, y la piedra filosofal; esta misteriosa materia, al fundirla con un metal como hierro o plomo, debía transformarlo en oro. El estudio de estas transformaciones fue llamada por los árabes al-Kemiya. Esta palabra se adoptó en Europa como alquimia y los que trabajaban este campo eran llamados alquimistas.

La práctica de las transformaciones condujo a muchos fracasos, pero las innumerables experiencias de los alquimistas permitieron el descubrimiento de algunas sustancias y mezclas ácidas, como el agua regia. Asimismo, tales experiencias permitieron ensayar un conjunto de aparatos y técnicas experimentales que en tiempos posteriores serían de gran valor en las investigaciones.

La Química en la Edad Moderna.

En la Edad Moderna las concepciones tradicionales adquirieron un nuevo enfoque bajo el método experimental, y las investigaciones de los químicos ampliaron la gama de sustancias conocidas.

El químico irlandés Robert Boyle asesta en el siglo XVII el primer golpe a la teoría griega sobre los cuatro elementos, ya que señalan al elemento como una sustancia que no es posible descomponer en otra más simple y que éstos son mucho más de cuatro.

En aquella época, uno de los grandes enigmas de la química provenía del fenómeno de la combustión. Lavoisier, un científico francés, propuso una explicación simple de la combustión, señalando que todo cuerpo al arder fija oxígeno tomándolo del aire. Además al emplear sistemáticamente la balanza, estableció que, en una reacción química que ocurre en un sistema cerrado, la masa total de los cuerpos que intervienen en la reacción es idéntica a la masa de los cuerpos formados¹. Con Lavoisier, la Química entra en una nueva era: la de la medida y de la precisión, por lo que se le considera como el “padre de la Química”.

La Química en México antes de la Conquista.

En México la Química ha tenido su propio desarrollo, aunque de una forma más lenta. Los pobladores del Valle de México sabían aprovechar las sales alcalinas, las cuales se formaban como costras en la tierra en tiempo de sequías. Estas sales recibieron el nombre de tequixquitl o tequesquite. La tierra de Texcoco contenía una gran cantidad de sales, principalmente carbonato de sodio (Na2CO3) y cloruro de sodio (NaCl). El tequesquite se empleaba para facilitar la cocción de los alimentos, además de servir como condimento. También se utilizó como detergente alcalinizante.

Actualmente a este enunciado de Lavoisier se le conoce como “ley de la conservación de la masa”.

La sal común (cloruro de sodio) era muy apreciada por los antiguos mexicanos. Entre otras sales, conocieron también el alumbre, la mica, el yeso y la calcita, con la que fabricaron colorantes. Trabajaron piedras preciosas como turquesa, jade, azabache, ojo de gato, rubí y ámbar. Los dignatarios utilizaron adornos de fluorita (floruro de calcio), un mineral del que México sigue siendo el primer productor mundial. Otro material utilizado fue el cuarzo (cristal de roca).

La cerámica era comparable con la que había en España. Utilizaban minerales para la fabricación de colores para pintura, especialmente los óxidos de hierro, el negro de humo y las arcillas mineralizadas; obtenían el color rojo de un insecto llamado “cochinilla” (nocheztli) o sangre de tunas, el cual fue exportado a todo el mundo por los españoles.

El barro y el adobe se emplearon en las edificaciones. Los aztecas obtenían una especie de “cemento” al mezclar la cal con una arcilla negra; también producían varios tipos de tejidos, entre los que se encuentran el de hequen (henequén), fabricado con fibras de magueyes, agaves y el algodón blanco. Hacían papel con la corteza de amatl (amate). Utilizaban azúcar al evaporar el aguamiel y fabricaban pulque por medio de la fermentación.

Los aztecas conocían los metales: oro, plata, cobre, estaño, mercurio, plomo, y probablemente el hierro. Desarrollaron la herbolaria para tratar sus males.

¿Sabías que la herbolaria o medicina tradicional está resurgiendo?.

¿Cuáles consideras que sean las causas?.

La Química en México después de la Conquista.

Después de la conquista se originó la primera industria en Pachuca, en 1555, para la extracción de plata por amalgamación con mercurio, un proceso descubierto en México por Bartolomé de Medina y que ahorraba gran cantidad de energía respecto a otros procesos empleados en todo el mundo en esa época.

En 1782 Fausto de Elhúyar, luego fundador del Real Seminario de Minería en México, descubrió en España un nuevo elemento, el wolframio, al que se denominó tugsteno, y en 1802, Andrés Manuel del Río descubrió en México otro nuevo elemento al que llamó eritronio, el cual fue posteriormente redescubierto y llamado vanadio.

La Química en México dentro del siglo XX.

En 1916 se creó en México la Escuela Nacional de Química Industrial y se incorporó al año siguiente a la UNAM. Veinte años después se fundó el Instituto Politécnico Nacional y en ambas escuelas se ha formado a la mayoría de los profesionales químicos que hacen posible el desarrollo industrial de país.

En 1938, con la nacionalización del petróleo, las compañías extranjeras se negaron a vender tetraetilo de plomo (antidetonante de la gasolina) a México, cuestión que superaron los químicos mexicanos produciendo esta sustancia en una planta ubicada donde actualmente se encuentra el Instituto Mexicano del Petróleo (IMP).

En los años cuarentas se inicio la industria química en México con el establecimiento de fábricas como Sosa Texcoco y Celanese Mexicana. En 1941 se fundaron los laboratorios Syntex para la producción de hormonas esteroidales como la progesterona (y posteriormente la cortisona, un potente antiinflamatorio), cuyo costo en el mercado internacional era de 200 dólares el gramo y, gracias a los trabajos desarrollados en México, se redujo a sólo 2 dólares. Este trabajo desarrollado en México desembocó en el hallazgo de la píldora anticonceptiva, utilizada hoy por millones de mujeres en el mundo para controlar y planear la natalidad.

De 1950 a la fecha el número de industrias ha crecido, en especial la de productos químicos básicos y la petroquímica. Se producen también las materias primas para otras industrias, incrementándose la producción de sustancias químicas intermedias y de consumo final, lo que ha ocasionado que, en la actualidad, la industria química sea una de las más importantes para la economía del país.

En el lenguaje que empleas a diario con frecuencia utilizas palabras que tienen un significado más profundo del que comúnmente le das; por ejemplo, a la luz la asocias con la energía eléctrica; la fuerza se relaciona con el esfuerzo físico, energía, velocidad

o potencia; otros ejemplos son la confusión entre velocidad y rapidez y el uso cotidiano de términos como trabajo y energía. Pero hay que tener cuidado, ya que el vocabulario científico es mucho más riguroso.

El concepto de energía tiene una buena dosis de abstracción, y para que lo entiendas habrá que hacer generalizaciones que van más allá de las actividades de la vida cotidiana. La palabra energía se usa comúnmente en expresiones como: “se me acabó la energía”, “come, para que tengas energía”, “se detuvo porque se le acabó la energía”, en estos casos el concepto se utiliza como si existiera “algo” que mantiene en movimiento a las cosas.

La energía está presente en todo lo que ocurre, desde el proceso de pensar y leer estas líneas, lo que ocurre en los seres vivos; los cambios físicos y hasta los procesos estelares, se deben a la intervención de la energía.

El nivel de utilización de la energía por el hombre a través de su historia tiene relación con la civilización, ya que en el desarrollo de la industria, la agricultura y las actividades comerciales interviene una gran cantidad de ella; por ejemplo, los hombres primitivos, cuya actividad principal era la recolección de frutos, gastaban aproximadamente 1000 kilocalorías diarias y en la actualidad el gasto de energía de cada persona en una sociedad de consumo rebasa las 2 500 kilocalorías diarias; en la actividad comercial, el descubrimiento de diversas formas de energía ha evolucionado desde el empleo de animales, como una manera de desplazar mercancías, hasta el de combustibles especiales para el transporte aéreo.

No es posible encerrar en una sola frase el significado del término energía, por lo que iniciaremos por conocer sus diferentes manifestaciones, refiriéndolas siempre a su utilización.

Si queremos cambiar de posición algún objeto, necesitamos jalarlo o empujarlo ya sea por medio de nuestros músculos o de un artefacto como una grúa o remolque. Estos jalones o empujones son manifestaciones de energía llamadas fuerzas.

Si aplicas una fuerza sobre un cuerpo que está en reposo, éste se desplaza una cierta distancia, en la misma dirección y sentido que la fuerza aplicada, es decir, el cuerpo se mueve desde el reposo con una velocidad y el movimiento que se produce hace que el cuerpo gane energía a la que se le conoce como energía cinética o de movimiento.

Figura 6. Aplicaciones de la energía cinética y potencial

Como puedes observar en el dibujo, la grúa levanta una pesa sobre el pilote, para luego soltarlo y hacer que éste se entierre. Es evidente que mientras más altura adquiera la pesa caerá con mayor fuerza sobre el pilote. La energía que se genera al soltar la pesa es la energía cinética de la que habíamos hablado, mientras que la energía que adquiere la pesa al ser levantada a una cierta altura (h) se llama energía potencial, y se define como la energía almacenada en un cuerpo por la posición que tiene respecto a otro que se toma como referencia. En nuestro ejemplo nos remitimos a la pesa y a la tierra; así, mientras más altura alcance la pesa mayor energía potencial almacenará.

Ya conociste los diferentes tipos de energía, después de observar el dibujo puedes contestar lo siguiente: ¿Qué clases de energía intervienen para enterrar los pilotes de una construcción.

Antes de continuar debemos tener presente que en el Universo existe una cierta cantidad de energía, la cual se manifiesta de diferentes formas y siempre es constante. Esta energía al participar en los cambios de la materia, se transforma de un tipo a otro, pero la suma total de todas ellas no cambia. A ésto se le conoce como la ley de la conservación de la energía que establece que al igual que la materia:

La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma

Ahora bien, cuando describimos la materia, se explicó que está formada por partículas en continuo movimiento. Este movimiento de partículas produce en los cuerpos una energía interna que es la suma de las energías cinética (de movimiento) y potencial (de posición) de sus partículas y que se conoce como energía térmica. Esta energía aumenta al calentar la materia y disminuye al enfriarla.

Cuando dos objetos de diferente energía térmica se ponen en contacto, se transfiere energía de uno a otro; por ejemplo, supongamos que se vacía una cubeta de carbón caliente en un recipiente con agua, el carbón transferirá energía térmica al agua hasta que los materiales tengan la misma temperatura; a ésto se llama equilibrio térmico. Después de un tiempo cuando se toca el carbón y el agua, ambos producen la misma sensación de caliente o de frío y ya no hay más transferencia de energía térmica entre ellos.

Este intercambio de energía térmica se denomina temperatura, la cual indica que dos objetos están en equilibrio térmico. La energía térmica está asociada a la cantidad de partículas y a su movimiento; debido a que este movimiento es muy difícil de determinar, no es posible medir dicha energía directamente; sin embargo, si podemos establecer el equilibrio térmico que alcanzan dos cuerpos. Así, cuando ponemos en contacto un termómetro con otro cuerpo y permitimos que alcancen el equilibrio térmico, la temperatura del termómetro corresponde a la temperatura del objeto, de esta forma medimos indirectamente la energía térmica.

La diferencia entre los conceptos de energía térmica y temperatura se pueden ilustrar con el siguiente ejemplo: si mezclas el agua de una jarra a 85 grados centígrados con el agua de un vaso a la misma temperatura, no habrá transferencia de energía, a pesar de que la energía térmica es mucho mayor en la jarra ya que contiene más partículas. Recuerda que la energía térmica representa la suma de las energías cinéticas y potencial de todas las partículas.

Otro ejemplo, en el que puedes identificar la diferencia entre energía térmica y temperatura, son las siguientes ilustraciones.

¿Qué ocurriría si se vacía el agua de cada uno de los recipientes sobre cantidades iguales de hielo por separado?.

Observarás que el agua de la jarra funde mayor cantidad de hielo que el agua del vaso, lo cual indica que el agua de la jarra tenía mayor energía térmica.

La energía que transita de un cuerpo de alta temperatura a otro de baja temperatura se define como calor, es decir, el calor es el intercambio de energía térmica entre un cuerpo que la pierde y otro que la gana. Las unidades utilizadas para medirlo son la caloría (cal) y la kilocaloría (kcal).

¿Qué es una caloría?. Para establecer esta unidad se tomó como referencia el agua, de tal modo que una caloría (1 cal = 4.184 joules) es la cantidad de energía térmica necesaria para elevar en un grado centígrado (de 14.5 ºC a 15.5 ºC) la temperatura de un gramo de agua. En ocasiones se usa el múltiplo kilocaloría que equivale a 1000 calorías.

Si quemamos un papel o un trozo de madera obtenemos energía en forma de calor; esta energía estaba, de alguna manera, almacenada en los materiales; este ejemplo nos muestra otra forma de energía; la energía química que es la que se encuentra almacenada en las sustancias y que determina la facilidad con la que éstas efectúan un cambio químico.

La energía química almacenada puede liberarse mediante una reacción o cambio químico. En esta forma, muchas sustancias actúan como fuentes o almacenamiento de energía que se emplea cuando se requiere, por ejemplo, la energía almacenada en las plantas es utilizada por los animales y el hombre al alimentarse para obtener la energía necesaria y sus actividades.

En las modificaciones que experimenta la materia se puede absorber o liberar energía que se presenta en diversas formas, ya sea eléctrica, luminosa o calor. Toda la energía que necesitamos para los procesos vitales se produce por los cambios ocurridos en la materia; en sentido inverso, la energía causa cambios en la materia. En nuestra vida algunos de los aparatos que usamos funcionan mediante la interconversión entre la energía eléctrica y la química. Por ejemplo, la energía química se transforma en eléctrica en las diferentes pilas o acumuladores al reaccionar las sustancias que contienen, provocando una corriente eléctrica que se aprovecha en aparatos electrodomésticos y en los automóviles.

En otros casos, la energía eléctrica se transforma en energía química, como por ejemplo en la electrólisis, que es un proceso en el cual una sustancia se descompone por la acción de la energía eléctrica.

La electrólisis desempeña un papel importante en la industria química; muchos metales como sodio (Na), magnesio (Mg) o el aluminio (Al) se obtiene de esta manera, de igual manera se producen el cloro (Cl2) o el agua oxigenada (H2O2). También se emplea este procedimiento para recubrir objetos sólidos de una capa delgada de metal con fines decorativos o de protección, como el chapeado de oro, el cromado, el niquelado, etcétera.