Dilución de disoluciones

Las disoluciones concentradas que no se utilizan normalmente, se guardan en el almacén del laboratorio. Con frecuencia estas disoluciones "de reserva" se diluyen antes de utilizarlas. La disolución es el procedimiento que se sigue para preparar una disolución menos concentrada a partir de una más concentrada.

Suponga que se desea preparar 1L de una disolución de KMnO4 0,400 M a partir de una disolución de KMnO4 1,00 M. Para ello se necesita 0.400 moles de KMnO4. Puesto que hay 1,00 moles de KMnO4 en 1L (o 1.000mL) de una disolución 1.00 M en 0,400 x 1.000 mL o 400 mL, de la misma disolución, habrá 0,400 moles de KMnO4.

   1,00 mol         =     0,400 mol
1.000mL soln          400 mL soln

Por tanto, se deben tomar 400mL de la disolución de KMnO4 1,00 M y diluirlos hasta 1.000 mL adicionando agua (en un matraz volumétrico de 1 L). Este método da 1 L de la solución deseada de KMnO4 0,400 M.

Al efectuar el proceso de dilución, conviene recordar que al agregar mas disolvente a una cantidad dada de la disolción concentrada su concentración cambia (disminuye) sin que cambie el número de moles de soluto presente en la disolución. En otras palabras:

Moles de soluto antes de la dilución = moles de soluto después de la dilución.

Cantidades de reactivos y productos

Una pregunta que se plantea en el laboratorio y en la industria química es: "¿qué cantidad de productos se obtendrá a partir de cantidades específicas de las materias primas (reactivos)?". O bien, en algunos casos la pregunta se plantea de manera inversa: "¿qué cantidad de materia prima se debe utilizar para obtener una cantidad específica del producto?". Para interpretar una reacción en forma cuantitativa es necesario aplicar el conocimiento de las masas molares y el concepto de mol. La estequiometría es el estudio cuantitativo de reactivos y productos en una reacción química.

Independientemente de que las unidades utilizadas para los reactivos (o productos) sean moles, gramos, litros (para los gases) y otras unidades, para calcular la cantidad de producto formado en una ecuación se utilizan moles. Este método se denomina metodo del mol, que significa que los coeficientes estequiométricos en una reacción química se pueden interpretar como el número de moles de cada sustancia. Por ejemplo, la combustion del monóxido de carbono en el aire produce dióxido de carbono:

2CO(g)  +  O2(g)  -->  2CO2(g)

Para los cálculos estequiométricos esta ecuación puede leerse como: "2 moles de monóxido de carbono gaseoso se combinan con 1 mol de oxígeno gaseoso para formar dos moles de dióxido de carbono gaseoso".

El método del mol consta de los siguintes pasos:

1. Escriba las fórmulas correctas para todos los reactivos y productos y haga el balance de la ecuación resultante.
2. Convierta en moles las cantidades de algunas o todas las sustancias conocidas (generalmente los reactivos).
3. Utilice los coeficientes de la ecuación balanceada para calcular el número de moles de las cantidades buscadas o desconocidas (generalmente los productos) en el problema.
4. Utilizando los números calculados de moles y masas molares convierta las cantidades ddesconocidas en las unidades que se requieran (generalmente en gramos).
5. Verifique que la respuesta sea razonable.

Tres tipos de cálculo basado en el método del mol

El paso 1 es un requisito previo para cualquier cálculo estequiométrico. Se debe conocer la identidad de los reactivosy de los productos, y sus relaciones de masa deben considerar la ley de la conservación de la masa (es decir, se debe tener una ecuación balanceada). El paso 2 es el punto crítico para convertir los gramos (u otras unidades) de las sustancias en números de moles. Esta conversion permite analizar la reacción real solo en término de moles.

Para completar el paso 3, es necesario balancear la ecuación lo que ya se hizo en el paso 1. El punto clave aquí es que en una ecuación balanceada, los coeficientes indican la relacion en la cual las moles de una sustancia reaccionan o forman moles de otras sustancias. El paso 4 es semejante al paso 2, excepto que ahora se refiere a las cantidades buscadas en el problema. El paso 5 con frecuencia se subestima, pero es muy importante.

El espectrómetro de masas

El método más exacto y directo para determinar masas atómicas y moleculares es la espectrometría de masas. En un espectrómetro de masas se bombardea una muestra en estado gaseoso con un haz de electrones de alta energía. Las colisiones entre los electrones y los átomos (o moléculas) en estado gaseoso producen iones positivos al liberarse un electrón de cada átomo o molécula. Estos iones positivos (de masa m y carga e) se aceleran al pasar entre dos placas con cargas opuestas. Los iones acelerados son desviados, por un imán, en una trayectoria circular. El radio de la trayectoria depende de la relación entre la carga y la masa (es decir e/m). Los iones con menor relacion e/m describen una curva con mayor radio que los iones que tienen una relacion e/m mayor, de manera que se pueden separar los iones con cargas iguales pero distintas masas. La masa de cada ión (y por lo tanto del átomo o molécula original) se determina por la magnitud de su desviación. Por último, los iones llegan al detector, que registra una corriente para cada tipo de ión. La cantidad de corriente que se genera es directamente proporcional al número de iones, de modo que se puede determinar la abundancia relativa de los isótopos.

El primer espectrómetro de masas, desarrollado en la década de 1920 por el físico inglés F. W. Aston resulta muy rudimentario hoy día. Aún así demostró, sin lugar a dudas, la existencia de los isótopos neón-20 (masa atómica 19,9924 uma y abundancia natural 90,92%) y neón-22 (masa atómica 21,9914 uma y abundancia natural 8,82%). Con el desarrollo de espectrómetros de masas más sofisticados y más sensibles, los científicos lograron descubrir que el neón tiene un tercer isótopo estable con una masa atómica de 20,9940 uma y una abundancia natural de 0,257%. Esto demuestra la gran importancia de la exactitud experimental en una ciencia cuantitativa como la química. Los primeros experimentos no detectaron el isótopo neón-21 debido a que su abundancia natural es de sólo 0,257%. En otras palabras, de 10.000 átomos de Ne, sólo 26 son de neón-21. La masa de lás moléculas se pueden determinar de manera similar, por medio del espectrómetro de masas.

 

Algunos hechos y conceptos

1. El estudio de la química involucra tres etapas fundamentales: observación, representación e interpretación. La primera se refiere a las mediciones del mundo macroscópico; la representacion implica el uso de símbolos y ecuaciones que facilitan la comunicación; la interpretación está basada en átomos y moléculas, que pertenecer al mundo microscópicos.
2. El método científico es un procedimiento sistemático en la investigación; se inicia al reunir la información por medio de observaciones y mediciones. En el proceso se diseñan y comprueban hipótesis, leyes y teorías.
3. Los químicos estudian la materia y los cambios que ésta experienta. Las sustancias que componen la materia tienen propiedades físicas únicas que se pueden observar sin que cambie su identidad; también tienen propiedades químicas únicas que, cuando son demostradas cambian la identidad de las sustancias. Las mezclas, ya sean homogéneas o heterogéneas, se pueden separar en sus componentes puros por medios físicos.
4. Los elementos son las sustancias químicas más sencillas Los compuestos se forman por la combinación química de átomos de diferentes elementos en proporciones definidas.
5. En principio todas las sustancias pueden existir en tres estados: sólidos, líquido y gaseoso. La conversión entre estos estados puede realizarse cambiando la temperatura.
6. Las unidades SI se utilizan para expresar cantidades físicas en todas las ciencias, incluyendo la química.
7. Los números que se expresan en notación científica tienen la forma Nx10ⁿ. Donde N es un número entre 1 y 10 y n es un número entero positivo o negativo. Esta expresión facilita el manejo de cantidades muy pequeñas o muy grandes.

El método del factor unitario para la resolución de problemas

Las mediciones cuidadosas y el uso apropiado de cifras significativas, aunado a los cálculos correctos, darán resultados numéricos exactos. Sin embargo, para que las respuestas tengan sentido deberán ser expresadas en las unidades correctas.El procedimiento que se utiliza para resolver problemas de química que incluyan conversiones de unidades se denomina método del factor unitario o análisis dimensional. Esta técnica sencilla requiere poca memorización y se basa en la realción que existe entre diferentes unidades que expresan la misma cantidad física.

Se sabe, por ejemplo, que la unidad monetaria "dólar" es diferente de la unidad monetaria "centavo". Sin embargo, se dice que un dólar es equivalente a 100 centavos, porque ambos representan la misma cantidad de dinero. Esta equivalencia se puede expresar así:

1 dólar = 100 centavos

Dado que un dólar es igual a 100 centavos, se infiera que su relación es igual a 1; es decir, 

                                                                    1 dólar         = 1

100 centavos

Esta relación se puede leer como 1 dólar por cada 100 centavos. La fracción se denomina factor unitario (igual a 1) porque el numerador y el denominador describen una misma cantidad de dinero.

La relación tambien se podría haber escrito como 100 centavos por un dólar:

100 centavos = 1

1 dólar

Esta fracción es un factor unitario. Como puede verse, el recíproco de cualquier factor unitario también es un factor unitario. La utilidad de los factores unitarios es que permiten efectuar conversiones entre diferentes unidades que midan la misma cantidad. Suponga que se dea convertir 2.46 dólares a centavos. Este problema se puede expresar como:

2.46 dólares  x 100 centavos   = 246 centavos

1 dólar

Observe que el factor unitario 100centavos/1dolar tiene numeros exactos, de modo que no se ve afectado el número de cifras significativas en el resultado final.

El helio primitivo y la teoria del big bang

¿De donde venimos?¿Cómo se origino el universo? Los seres humanos se han hecho estas preguntas desde que fueron capaces de razonar. Las investigaciones que se han realizado para responder estas interrogantes son un ejemplo del método científico.

En los años 40, el físico George Gamow, de nacionalidad ruso-americana, estableció la hipótesis de que nuestro universo se origino en una explosión gigantesca denominada Big Bang ocurrida hace miles de millones de años. En sus primeros instantes, el universo ocupaba un pequeñísimo volumen y su temperatura era tan alta que no la podríamos ni imaginar. Esta abrasadora bola de fuego de radiación mezclada con partículas microscópicas de materia poco a poco se enfrió lo suficiente para que se formaran los átomos. Por influencia de la gravedad, esos átomos se juntaron en cúmulos para formar miles de millones de galaxias, incluyendo la propia galaxia, denominada Vía Láctea.

La idea de Gamow es muy interesante y provocativa y se ha sometido a numerosas pruebas experimentales. Primero, las mediciones mostraron que el universo esta en expansión, es decir, las galaxias se alejan unas de otras a velocidades enormes. Este hecho es consistente con el nacimiento explosivo del universo. Al imaginar la expansión en retroceso, como una película que se regresa, los astrónomos han deducido que el universo nació aproximadamente quince mil millones de años. La segunda observación que apoya la hipótesis de Gamow es la detección de radiación cósmica de fondo. Durante miles de millones de años el universo incandescente se ha enfriado a no mas de 3º Kelvin (-270º C).

A esta temperatura, la mayor parte de la energía esta en la región de la radiación de microondas. Como el Big Bang pudiera haber ocurrido simultáneamente a la formación del pequeñísimo volumen del universo, la radiación generada pudiera haber llenado todo el universo. Por lo tanto, la radiación debería ser la misma en cualquier dirección que se observe. En efecto, las señales de microondas registradas por los astrónomos son independientes de la dirección.

La tercera pieza de evidencia que apoya la hipótesis de Gamow es el descubrimiento del helio primitivo. Los científicos creen que el helio y el hidrógeno (los elementos mas ligeros) fueron los primeros elementos formados en las etapas iniciales de la evolución cósmica. (Se piensa que los elementos mas pesados, como el carbono, nitrógeno y oxigeno se tuvieron que haber originado después a través de reacciones nucleares que incluyeron al hidrógeno y al helio en el centro de las estrellas.) De ser así, se hubiera dispersado un gas difuso de hidrógeno y de helio a través de todo el universo naciente mucho antes de que se formaran las galaxias. En 1995, los astrónomos analizaron la luz ultravioleta de un lejano quasar (una poderosa fuente de luz y de señales de radio que se supone es una galaxia que hizo una explosión en las orillas del universo) y encontraron que una parte de la luz era absorbida por los átomos de helio en su camino a la tierra. Como este quasar particular esta a mas de diez mil millones de años luz, la luz que logra llegar a la tierra revela eventos que ocurrieron hace diez mil millones de años.

¿Por qué no se detecto al hidrógeno en virtud de que es mas abundante? Un átomo de hidrógeno solo tiene solo tiene un electrón, el cual es arrancado por la luz de u quasar en un proceso conocido como ionización, y los átomos ionizados de hidrógeno no pueden absorber nada de luz del quasar. Por otro lado, el átomo de helio tiene dos electrones. La radiación puede quitarle un electrón, pero no siempre los dos. Los átomos ionizados de helio aun pueden absorber la luz, por lo cual es posible detectarlos.

Los defensores de la explicación de Gamow recibieron con regocijo la detección del helio en los extremos del universo. Como un reconocimiento a toda la evidencia acumulada, los científicos en la actualidad se refieren a la hipótesis de Gamow como la teoría del Big Bang. 

fuente:

http://usuarios.multimania.es/webscience/Curiosidades/Archivos/he_bigbang.html

El método científico

Todas las ciencias, incluidas las sociales, utilizan variantes de lo que se denomina el método científico, un enfoque sistemático para la investigación. Por ejemplo, un psicólogo que quiere saber cómo afecta el ruido la capacidad de las personas para aprender química, y un químico interesado en medio el calor liberado cuando se quema hidrógeno en presencia de aire, seguirían más o menos el mismo procedimiento para llevar a cabo sus investigaciones. El primer paso es definir con claridad el problema; el siguiente radica en desarrollar experimentos, hacer observaciones cuidadosas y anotar la información o datos del sistema, que es la parte del universo que se investiga.

Los datos obtenidos en una investigación pueden ser cualitativos, es decir, observaciones generales acerca del sistema, como cuantitativos, que consisten en números obtenidos al hacer diversas mediciones del sistema. En general, los químicos utilizan símbolos estandarizados y ecuaciones para anotar sus mediciones y observaciones. Esta forma de representación no solo simplifica el proceso de llevar registros sino que también forma la base común para la comunicación con otros químicos.

Una vez que los experimentos se han completado y se cuenta con los datos suficientes, el siguiente paso en el método científico es la interpretación, lo que significa que los científicos intentan explicar los fenómenos observados. Con el fundamento en los datos reunidos, el investigador formula una hipótesis, es decir, una explicación tentativa para una serie de observaciones. Se programan otros experimentos para probar la validez de hipótesis en tantas formas como sea posible, y el procedimiento empieza de nuevo.

Una ves que se haya reunido una cantidad suficiente de datos, es aconsejable resumir esa información en forma concisa, como una ley. En la ciencia, una ley es un enunciado conciso, verbal o matemático, de una relación entre fenómenos que siempre se repite bajo las mismas condiciones. Por ejemplo, la segunda ley del movimiento formulada por Sir Isaac Newton, establece que la fuerza es igual a la masa por la aceleración (F=m.a). El significado de esta ley es que un aumento de la masa o en la aceleración de un objeto siempre llevará a un aumento proporcional de su fuerza; y por el contrario, una disminución en la masa o en la aceleración, siempre se acompañará de una disminución de la fuerza.

Las hipótesis que resisten muchas pruebas experimentales para verificar su validez se convierten en teorías. Una teoría es un principio unificador que explicar un grupo de hechos y leyes que se basan en estos. Las teorías también son probadas constantemente. Si con los experimentos se demuestra que una teoría es incorrecta, entonces deberá descartarse o modificarse hasta que sea congruente con las observaciones experimentales. Aprobar o descartar una teoría puede llevar años o incluso siglos; es posible que esto se deba a que no se cuenta con la tecnología adecuada. Un ejemplo concreto es la teoría atómica. Llevó mas de 2000 años demostrar este principio fundamental de la química propuesto por Demócrito, un filósofo de la antigua Grecia. Un ejemplo mas actual es la teoría del Big Bang, acerca del origen del universo.

El progreso científico rara vez se logra en forma rígida, paso a paso. En ocasiones una ley precede a una teoría; otras veces sucede lo contrario. Quizá dos científicos empiecen a trabajar en un proyecto con exactamente el mismo objetivo, pero al final pueden tomar direcciones distintas por completo. Los científicos, después de todo, son humanos, y en sus formas de pensar y de trabajar influyen sus antecedentes, su entrenamiento y su personalidad.

El desarrollo de la ciencia ha sido irregular y algunas veces ilógico. Los grandes descubrimientos suelen ser productos de contribuciones y experiencia acumulada de muchos investigadores, aunque el crédito por haber formulado una ley o una teoría por lo general se otorga solo a un individuo. Existen por su puesto, una cierta dosis de suerte en los descubrimientos científicos, pero se ha dicho que "la suerte favorece a las mentes preparadas". Corresponde a una persona preparada y alerta reconocer el significado de un descubrimiento accidental y obtener el máximo provecho de ello. La mayor parte de las veces, el público solo conoce los acontecimientos científicos espectaculares. Sin embargo, por cada historia exitosa existen cientos de casos en los que los científicos han pasado años trabajando en proyectos que finalmente terminaron siendo infructuosos, o en los que los resultados vinieron solos después de muchos errores, y en forma tan lenta que no fueron tan celebrados por el mundo. No obstante, hasta las investigaciones infructuosas también contribuyen al avance continuo del conocimiento del universo. Es el amor por la investigación lo que mantiene a muchos científicos en el laboratorio.