Tuesday, April 12, 2011

APC Nº 2 ELEMENTOS DE FÍSICA Y QUIMICA SEGUNDO AÑO (ABRIL)

COLOIDES

En química un coloide, suspensión coloidal o dispersión coloidal es un sistema físico-químico formado por dos o más fases, principalmente éstas son: una continua, normalmente fluida, y otra dispersa en forma de partículas; por lo general sólidas. La fase dispersa es la que se halla en menor proporción.

El nombre de coloide proviene de la raíz griega kolas que significa que puede pegarse. Este nombre hace referencia a una de las principales propiedades de los coloides: su tendencia espontánea a agregar o formar coágulos.

Aunque el coloide por excelencia es aquel en el que la fase continua es un líquido y la fase dispersa se compone de partículas sólidas, pueden encontrarse coloides cuyos componentes se encuentran en otros estados de agregación. En la siguiente tabla se recogen los distintos tipos de coloides según el estado de sus fases continua y dispersa:


Fase dispersa
Gas
Líquido
Sólido
Fase continua Gas No es posible porque todos los gases son solubles entre sí Aerosol líquido,

Ejemplos: niebla, bruma

Aerosol sólido,

Ejemplos: piedra Pómez, Aerogeles

Líquido Espuma,

Ejemplos: Espuma de afeitado

Emulsión,

Ejemplos: Leche, salsa mayonesa, crema de manos, sangre

Sol,

Ejemplos: Pinturas, tinta china

Sólido Espuma Sólida,

Ejemplos: Humo, polvo en suspensión

Gel,

Ejemplos: Gelatina, gominola, queso

Sol sólido,

Ejemplos: Cristal de Rubí

Actualmente, y debido a sus aplicaciones industriales y biomédicas, el estudio de los coloides ha cobrado una gran importancia dentro de la química física y de la física aplicada. Así, numerosos grupos de investigación de todo el mundo se dedican al estudio de las propiedades ópticas, acústicas, de estabilidad y de su comportamiento frente a campos externos. En particular, el comportamiento electrocinético (principalmente las medidas de movilidad electroforética) o la conductividad de la suspensión completa.

Por lo general, el estudio de los coloides es experimental, aunque también se realizan grandes esfuerzos en los estudios teóricos, así como en desarrollo de simulaciones informáticas de su comportamiento. En la mayor parte de los fenómenos coloidales, como la conductividad y la movilidad electroforética, estas teorías tan sólo reproducen la realidad de manera cualitativa, pero el acuerdo cuantitativo sigue sin ser completamente satisfactorio.

Coloides: Es el tipo especial de dispersión cuyas particulas permanecen en suspensión, con un tamaño de 10-10000 nm.

Propiedades de los coloides

Sus partículas no pueden ser observadas. Podemos definir los coloides como aquellos sistemas en los que un componente se encuentra disperso en otro, pero las entidades dispersas son mucho mayores que las moléculas del disolvente (Efecto Tyndall) .

Los coloides también afectan el punto de ebullición del agua y son contaminantes.

Se clasifican según la magnitud de la atracción entre la fase dispersa y la fase continua o dispersante. Si esta última es líquida, los sistemas coloidales se catalogan como soles y se subdividen en Liófobos (poca atracción entre la fase dispersa y el medio dispersante) y Liófilos (gran atracción entre la fase dispersa y el medio dispersarte). Si el medio dispersante es agua se denominan Hidrófobos (repulsión al agua) e Hidrófilos (atracción al agua).

También se pueden hacer varios tipos de exámenes con esos tipos de sistemas coloidales como los vegetales y animales.

CUESTIONARIO

01. Cite 4 elemplos de coloides, indicando su fase dispersa y continua.

02. ¿Qué es el efecto Tyndall?

03. ¿Qué significa coloide?

04. ¿Según los ejemplos que diferencia, hay entre una emulsión y el gel?

05. Completar:

Si el medio dispersante es agua se denominan: ........................

APC Nº 2 QUIMICA TERCER AÑO (ABRIL)

Alotropía

(del griego: allos, otro, y tropos, manera) en química es la propiedad que poseen determinados elementos químicos de presentarse bajo estructuras quimicas diferentes, como el oxígeno, que puede presentarse como oxígeno atmosférico (O2) y como ozono (O3), o con características físicas distintas, como el fósforo, que se presenta como fósforo rojo (Pn) y fósforo blanco (P4), o el carbono, que lo hace como grafito, diamante y fullereno. Para que a un elemento se le pueda denominar como alótropo, sus diferentes estructuras moleculares deben presentarse en el mismo estado físico.

Las propiedades alotrópicas se presentan en elementos que tienen una misma composición, pero aspectos diferentes; por lo tanto, la propiedad debe observarse en el mismo estado de agregación de la materia y es característico del estado sólido.

La explicación de las diferencias que presentan en sus propiedades se ha encontrado en la disposición de los átomos en el espacio. Por ejemplo, en los cristales de diamante, cada átomo de carbono está unido a cuatro átomos de carbono vecinos, adoptando una ordenación en forma de tetraedro que le confiere una particular dureza. La hibridación del carbono en el diamante es sp3

En el grafito, los átomos de carbono están dispuestos en capas superpuestas y en cada capa ocupan los vértices de hexágonos regulares imaginarios. De este modo, cada átomo está unido a tres de la misma capa con más intensidad y a uno de la capa próxima en forma más débil, en este caso, la hibridación del carbono es sp2. Esto explica porqué el grafito es blando y untuoso al tacto. La mina de grafito de un lápiz forma el trazo porque, al desplazarse sobre el papel, se adhiere a éste una pequeña capa de grafito.

El diamante y el grafito, por ser dos sustancias simples diferentes, sólidas, constituidas por átomos de carbono reciben la denominación de variedades alotrópicas del elemento carbono.

Una tercera variedad alotrópica del carbono es el fullereno C60 o buckminsterfullereno (en honor al arquitecto Buckminster Fuller) que tiene una forma de balón de fútbol por lo que también se conoce como bucky ball.

Lista de alótropos

No-metales y metaloides:

Metales:

Entre los elementos metálicos de origen natural (hasta U, sin Tc y Pm), 28 están en condiciones de ambiente de presión alotrópicos: Li, Be, Na, Ca, Sr, Ti, Mn, Fe, Co, Sr, Y, Zr, Sn, La, Ce, Pr, Nd, (PM), Sam, D-os, Tb, Dy, Yb, Hf, Tl, Po, Th, Pa, U. Considerando sólo la tecnología pertinente metales, seis metales son alótropicos: Ti en 882˚C, Fe en 1394˚C y 912˚C, Co en 422˚C, Zr a 863˚C, Sn a 13˚C y en U 668 y 776˚C.


Ejemplo: El ejemplo por excelencia de alotropía es el caso del carbono, cuyas formas alotrópicas son diamante
y grafito, dos ejemplos claros de la importancia de la estructura cristalina en las propiedades de los compuestos. Ambos son compuestos del carbono, pero difieren en el enlace y la posición de los átomos.

GRAFITO Y DIAMANTE

En la misma relación mutua en que se encuentran el azufre a y el azufre 13, se hallan el grafito y el diamante. En efecto, tanto el uno como el otro están formados por carbono puro y difieren en cuanto a la forma de sus cristales y a algunas de sus propiedades físicas: color, dureza, etc.
N o es necesario insistir sobre las propiedades del diamante, pues el lector habrá visto o usará algún "brillante" legítimo en un anillo u otra joya. El uso del diamante como piedra preciosa se debe a su gran dureza y a sus propiedades ópticas. La demostración de que el diamante es una forma de carbono se hace quemando pequeños diamantes de poco valor.

En cuanto al grafito, sus propiedades son aproximadamente las de las minas de los lápices "blandos". En efecto, las minas de los lápices se hacen actualmente con grafito mezclado con otras sustancias. El grafito es de color gris oscuro; deja un trazo sobre el papel, de donde su otro nombre de "plombagina", pues el plomo participa de esa propiedad, y de ahí también su uso en los lápices. Existen yacimientos náturales de grafito. En cualquiera de sus formas el carbono es insoluble en todos los solventes comunes. El hierro líquido lo disuelve, y de ahí puede obtenerse cristalizado, en forma de pequeños diamantes que suelen usarse para cortar vidrio. Este método de preparar diamantes artificiales se debe al químico francés Henri Moissan (1852-1907).

Existen en el comercio y tienen aplicaciones en la vida diaria y en la actividad industrial numerosos "carbones" y "negros" obtenidos casi todos ellos por combustión incompleta -es decir, con cantidad insuficiente de oxígeno- de diversos productos naturales. El coque se obtiene por destilación de la hulla. Es el residuo no volátil del carbón de piedra y se usa como combustible, en metalurgia, etc.

Todos estos carbones están formados por grafito más o menos finamente dividido e impurezas, a veces en grandes proporciones, que caracterizan a cada clase de "carbón" y lo hacen utilizable para su finalidad específica.
En cuanto a los llamados carbones fósiles, tenemos la antracita, la hulla, el lignito y la turba, por orden decreciente de calidad como combustible. La destilación de la hulla, de la que diremos algo más adelante, es de gran interés industrial. En los carbones fósiles el carbono existente es también el grafito. De todas las formas del carbono que se encuentran en la naturaleza o en el comercio, la más pura es el diamante.

CUESTIONARIO

1. ¿Qué entiende por alotropía?

2. ¿Cuáles son las formas alotrópicas del carbono?

3. Indique las propiedades del grafito.

4. Indique las características del diamante.

5. ¿Cuáles son las formas alotrópicas menionados en la lectura?. Aque elementos pertenece.




APC Nº 2 FÍSICA TERCER AÑO (ABRIL)

La Geotermia
La geotermia es una rama de la ciencia geofísica que se dedica al estudio de las condiciones térmicas de la Tierra. Uno de los frutos de la técnica más notables, es la extracción de la energía geotérmica.

GEOTERMIA es una palabra de origen griego, deriva de "geos" que quiere decir tierra, y de "thermos" que significa calor: el calor de la tierra. se emplea indistintamente para designar tanto a la ciencia que estudia los fenómenos térmicos internos del planeta como al conjunto de procesos industriales que intentan explotar ese calor para producir energía eléctrica y/o calor útil para el ser humano.

La climatización geotérmica es un sistema de climatización (calefacción y/o refrigeración) que utiliza la gran inercia térmica (temperatura constante, dependiendo de los diferentes lugares, desde 10 a 16 ºC) del subsuelo poco profundo. Se utiliza una bomba de calor que es una máquina térmica que permite transferir energía en forma de calor de un ambiente a otro según se requiera. Su funcionamiento es muy similar a un aire acondicionado tradicional que funciona para frío o como calefacción. El subsuelo suele estar a un temperatura neutra durante todo el año (más fresco en verano que el aire y más templado en invierno), con lo que el rendimiento de la bomba de calor es muy alto al necesitar menos trabajo para realizar la transferencia de energía.

En su sentido más amplio y literal, la energía geotérmica es el calor interno de la Tierra. Es un hecho conocido que en el subsuelo, bajo la tierra que pisamos, la temperatura aumenta con la profundidad, es decir, existe un gradiente térmico y, por lo tanto un flujo de calor desde el interior de la Tierra hacia el exterior. Ello es consecuencia de su estructura interna. La Tierra está constituida básicamente por tres capas concéntricas: el núcleo que es la más interna tiene una composición de hierro fundido a una temperatura superior de los 4.000 ºC; el manto que es la capa intermedia formada por silicatos de hierro y magnesio tiene un espesor de 2.900 km y su temperatura varía desde los 4.000 ºC en su contacto con el núcleo hasta los 800-1000 ºC de su superficie exterior que contacta con la corteza que es la capa más superficial y visible por el hombre. Esta corteza tiene un espesor variable de 5 a 35 km y está formada por silicatos de aluminio y magnesio, variando su temperatura entre los 800-1000 ºC del contacto con el manto y los 15-20 ºC de la superficie que conocemos. El flujo medio de calor registrado en la corteza terrestre es del orden de 1,5 µcal.cm-2.seg-1.

Logo

En determinados puntos de la Tierra el flujo de calor es, sin embargo, anormalmente elevado, llegando a alcanzar valores de hasta diez y veinte veces el flujo medio citado. Estas áreas con flujo elevado coinciden siempre con zonas de existencia de fenómenos geológicos singulares, como son una actividad sísmica elevada, la formación de cordilleras en épocas geológicas recientes y una actividad volcánica actual o muy reciente. Estos fenómenos geológicos representan distintas formas de liberación de la energía interna de la Tierra, cuya explicación puede darse a la luz de la tectónica de placas que rige la estructura de la corteza de la Tierra y su relación con el manto.

El flujo de calor anómalo ocasionado en estas áreas singulares da lugar a gradientes geotérmicos con valor de 15-30 ºC cada 100 metros, por lo que a profundidades de 1,5 a 2 km se pueden encontrar temperaturas de 200-300 ºC. Por el contrario, en las demás zonas de la superficie terrestre el flujo calorífico antes mencionado da lugar a gradientes geotérmicos con valor medio de 3 ºC cada 100 metros, por lo que a profundidades entre 2 y 3 km se encuentran temperaturas de 60-90 ºC.

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Esta diferencia de la corteza terrestre en áreas estables con flujo calorífico bajo y áreas inestables con flujo calorífico muy elevado sirve para marcar los dos grandes tipos de energía geotérmica conocidas: la energía geotérmica de baja temperatura y la energía geotérmica de alta temperatura.

CUESTIONARIO

01. ¿Qué entiendes por Geotermia?

02. Describa las tres capas de la tierras

03. ¿Qué sustancias químicas se mencionan en la lectura, describelos?

04. ¿Qué es la climatización geotérmica?

05. ¿Qúe puede mencionar del flujo del calor en la tierra?

APC Nº 2 QUIMICA CUARTO AÑO (ABRIL)

LA CONVERSIÓN DE ENERGIA NUCLEAR

La energía nuclear procede de reacciones de fisión o fusión de átomos en las que se liberan gigantescas cantidades de energía que se usan para producir electricidad.

En 1956 se puso en marcha, en Inglaterra, la primera planta nuclear generadora de electricidad para uso comercial. En 1990 había 420 reactores nucleares comerciales en 25 países que producían el 17% de la electricidad del mundo.

En los años cincuenta y sesenta esta forma de generar energía fue acogida con entusiasmo, dado el poco combustible que consumía (con un solo kilo de uranio se podía producir tanta energía como con 1000 toneladas de carbón). Pero ya en la década de los 70 y especialmente en la de los 80 cada vez hubo más voces que alertaron sobre los peligros de la radiación, sobre todo en caso de accidentes. El riesgo de accidente grave en una central nuclear bien construida y manejada es muy bajo, pero algunos de estos accidentes, especialmente el de Chernobyl (1986) que sucedió en una central de la URSS construida con muy deficientes medidas de seguridad y sometida a unos riesgos de funcionamiento alocados, han hecho que en muchos países la opinión pública mayoritariamente se haya opuesto a la continuación o ampliación de los programas nucleares. Además ha surgido otro problema de difícil solución: el del almacenamiento de los residuos nucleares de alta actividad.

Obtención de energía por fisión nuclear convencional.

El sistema más usado para generar energía nuclear utiliza el uranio como combustible. En concreto se usa el isótopo 235 del uranio que es sometido a fisión nuclear en los reactores. En este proceso el núcleo del átomo de uranio (U-235) es bombardeado por neutrones y se rompe originándose dos átomos de un tamaño aproximadamente mitad del de uranio y liberándose dos o tres neutrones que inciden sobre átomos de U-235 vecinos, que vuelven a romperse, originándose una reacción en cadena.

La fisión controlada del U-235 libera una gran cantidad de energía que se usa en la planta nuclear para convertir agua en vapor. Con este vapor se mueve una turbina que genera electricidad.

El mineral de uranio se encuentra en la naturaleza en cantidades limitadas. Es por tanto un recurso no renovable. Suele hallarse casi siempre junto a rocas sedimentarias. Hay depósitos importantes de este mineral en Norteamérica (27,4% de las reservas mundiales), Africa (33%) y Australia (22,5%).

El mineral del uranio contiene tres isótopos: U-238 (9928%), U-235 (0,71%) y U-234 (menos que el 0,01%). Dado que el U-235 se encuentra en una pequeña proporción, el mineral debe ser enriquecido (purificado y refinado), hasta aumentar la concentración de U-235 a un 3%, haciéndolo así útil para la reacción.

El uranio que se va a usar en el reactor se prepara en pequeñas pastillas de dióxido de uranio de unos milímetros, cada una de las cuales contiene la energía equivalente a una tonelada de carbón. Estas pastillas se ponen en varillas, de unos 4 metros de largo, que se reúnen en grupos de unas 50 a 200 varillas. Un reactor nuclear típico puede contener unas 250 de estas agrupaciones de varillas.

Producción de electricidad en la central nuclear

Una central nuclear tiene cuatro partes:

  1. El reactor en el que se produce la fisión
  2. El generador de vapor en el que el calor producido por la fisión se usa para hacer hervir agua
  3. La turbina que produce electricidad con la energía contenida en el vapor
  4. El condensador en el cual se enfría el vapor, convirtiéndolo en agua líquida.
La reacción nuclear tiene lugar en el reactor, en el están las agrupaciones de varillas de combustible intercaladas con unas decenas de barras de control que están hechas de un material que absorbe los neutrones. Introduciendo estas barras de control más o menos se controla el ritmo de la fisión nuclear ajustándolo a las necesidades de generación de electricidad.

En las centrales nucleares habituales hay un circuito primario de agua en el que esta se calienta por la fisión del uranio. Este circuito forma un sistema cerrado en el que el agua circula bajo presión, para que permanezca líquida a pesar de que la temperatura que alcanza es de unos 293ºC.

Con el agua del circuito primario se calienta otro circuito de agua, llamado secundario. El agua de este circuito secundario se transforma en vapor a presión que es conducido a una turbina. El giro de la turbina mueve a un generador que es el que produce la corriente eléctrica.

Finalmente, el agua es enfriada en torres de enfriamiento, o por otros procedimientos.

Figura 7-5 > Esquema del funcionamiento de una central nuclear

Figura 7-5 > Esquema del funcionamiento de una central nuclear

Medidas de seguridad

En las centrales nucleares habituales el núcleo del reactor está colocado dentro de una vasija gigantesca de acero diseñada para que si ocurre un accidente no salga radiación al ambiente. Esta vasija junto con el generador de vapor están colocados en un edificio construido con grandes medidas de seguridad con paredes de hormigón armado de uno a dos metros de espesor diseñadas para soportar terremotos, huracanes y hasta colisiones de aviones que chocaran contra él.

Repercusiones ambientales de la energía nuclear

Una de las ventajas que los defensores de la energía nuclear le encuentran es que es mucho menos contaminante que los combustibles fósiles. Comparativamente las centrales nucleares emiten muy pocos contaminantes a la atmósfera.

Los que se oponen a la energía nuclear argumentan que el hecho de que el carbón y, en menor medida el petróleo y el gas, sean sucios no es un dato a favor de las centrales nucleares. Que lo que hay que lograr es que se disminuyan las emisiones procedentes de las centrales que usan carbón y otros combustibles fósiles, lo que tecnológicamente es posible, aunque encarece la producción de electricidad.

Problemas de contaminación radiactiva

En una central nuclear que funciona correctamente la liberación de radiactividad es mínima y perfectamente tolerable ya que entra en los márgenes de radiación natural que habitualmente hay en la biosfera.

El problema ha surgido cuando han ocurrido accidentes en algunas de las más de 400 centrales nucleares que hay en funcionamiento. Una planta nuclear típica no puede explotar como si fuera una bomba atómica, pero cuando por un accidente se producen grandes temperaturas en el reactor, el metal que envuelve al uranio se funde y se escapan radiaciones. También puede escapar, por accidente, el agua del circuito primario, que está contenida en el reactor y es radiactiva, a la atmósfera.

La probabilidad de que ocurran estos accidentes es muy baja, pero cuando suceden sus consecuencias son muy graves, porque la radiactividad produce graves daños. Y, de hecho ha habido accidentes graves. Dos han sido más recientes y conocidos. El de Three Mile Island, en Estados Unidos, y el de Chernobyl, en la antigua URSS.

Almacenamiento de los residuos radiactivos

Con los adelantos tecnológicos y la experiencia en el uso de las centrales nucleares, la seguridad es cada vez mayor, pero un problema de muy difícil solución permanece: el almacenamiento a largo plazo de los residuos radiactivos que se generan en las centrales, bien sea en el funcionamiento habitual o en el desmantelamiento, cuando la central ya ha cumplido su ciclo de vida y debe ser cerrada.

Fusión nuclear

Cuando dos núcleos atómicos (por ejemplo de hidrógeno) se unen para formar uno mayor (por ejemplo helio) se produce una reacción nuclear de fusión. Este tipo de reacciones son las que se están produciendo en el sol y en el resto de las estrellas, emitiendo gigantescas cantidades de energía.

Muchas personas que apoyan la energía nuclear ven en este proceso la solución al problema de la energía, pues el combustible que requiere es el hidrógeno, que es muy abundante. Además es un proceso que, en principio, produce muy escasa contaminación radiactiva.

La principal dificultad es que estas reacciones son muy dificiles de controlar porque se necesitan temperaturas de decenas de millones de grados centígrados para inducir la fusión y todavía, a pesar de que se está investigando con mucho interés, no hay reactores de fusión trabajando en ningún sitio.

CUESTIONARIO

01. Realice un resumen cronológico del desarrollo de la energía nuclear.

02.¿Cuáles son las partes de un reactor nuclear?

03. ¿Cuáles son las repercusiones ambientales de la energía nuclear?

04. ¿Qué es la fusión nuclear?

05. ¿Qué combustible se usa en los reactores nucleares?