Densidad

La ecuación de densidad es

Densidad=   masa  
                  volumen

o

        d= m
              V

Donde d, m, y V, significan densidad, masa y volumen, respectivamente. Como la densidad es una propiedad intensiva y no depende de la cantidad de masa presente, para un material dado, la relación de masa a volumen siempre es la misma; en otras palabras, V aumenta conforme aunmenta m.

La unidad derivada del SI para la densidad es el kilogramo por metro cubico (kg/m³). Esta unidad es demasiado grande para la mayoria de las aplicaciones en química; por lo que la unidad gramos por centímetro cúbico (g/cm³) y su equivalente (g/mL), se utilizan más a menudo para exresar las densidades de sólidos y líquidos. Como las densidades de los gases son muy bajas, para ello se emplea la unidad gramos por litro (g/L):

1 g/cm³ = 1 g/mL = 1.000 kg/m³

1 g/L = 0.001 g/mL

Cambios químicos y físicos

Se ha descrito la reacción del magnesio cuando se quema en el oxígeno del aire. Esta reacción, dijimos que es un cambio químico. En cualquier cambio quimico, 1) se utilizan una o más sustancias (al menos parcialmente); 2) se forman una o más sustancias nuevas; y 3) se libera o se absorbe energía. Cuando las sustancias experimentan cambios químicos, demuestran sus propiedades químicas. Por otra parte, un cambio físico ocurre sin que se dé un cambio en la composición química. En forma general, las propiedades físicas se alteran considerablemente cuando la materia experimenta cambios físicos. En los cambios químicos siempre se libera o absorbe energía. Se necesita energía para fundir hielo y para hervir agua. Por el contrario, la condensación de vapor para formar agua líquida siempre libera energía, como ocurre en la congelación de agua líquida para formar hielo.

Propiedades físicas y químicas de la materia

Las sustancias se caracterizan por sus propiedades y su composición. El color, punto de fusión y punto de ebullición son propiedades físicas. Una propiedad física se puede medir y observar sin que cambie la composición o identidad de la sustancia. Por ejemplo, es posible determinar el punto de fusión del hielo, calentando un trozo de él y registrando la temperatura a la cual se transforma en agua. El agua difiere del hielo sólido en apariencia, no en su composición, por lo que este cambio es físico; es pobile congelar el agua para recuperar el hielo original. Por lo tanto, el punto de fusión de una sustancia es una propiedad física. De igual manera, cuando se dice que el hielo gaseoso es más ligero que el aire, se hace referencia en una propiedad física.

Por otro lado, el enunciado "el hidrógeno gaseoso se quema en presencia de oxígeno gaseoso para formar agua" describe una propiedad química del hidrógeno, ya que para observar esta propiedad se debe efectuar un cambio químico, en ese caso la combustión. Después del cambio, los gases originales, hidrógeno y oxígeno, habrán desparecido y quedará una sustancia química distinta, el agua. No es posible recuperar el hidrógeno del agua por medio de un cambio físico como la ebullición o la congelación.

Cada ves que se prepara un huevo cocido se produce un cambio químico. Al ser sometido a una temperatura de aproximadamente 100ºC, tanto la clara como la yema experimentan cambios que modifican no sólo su aspecto físico, sino también su composición. Al comerse, cambia otra vez la composición del huevo por efecto de las sustancias presentes en el organismo, denominadas enzimas. Esta acción digestiva es otro ejemplo de un cambio químico tanto de los alimentos como de las enzimas implicadas.

Todas las propiedades de la materia que se puede medir, pertenecen a una de dos categorias: propiedades extensivas y propiedades intensivas. El valor medido de una propiedad extensiva depende de la cantidad de materia considerada. La masa que es la cantidad de materia de una cierta muestra de una sustancia, es una propiedad extensiva. Más materia significa más masa. Los valores de una misma propiedad extensiva se pueden sumar. por ejemplo, dos monedas de cobre tendran la masa resultante de la suma de las masas individuales de cada moneda, así como la longitud de dos canchas de tenis es la suma de la longitud de cada una de ellas. El volumen, definido como longitud elevada al cubo, es otra propiedad extensiva. El valor de una cantidad extensiva depende de la cantidad de materia.

El valor medido de una propiedad intensiva no depende de cuanta materia se considere. La densidad, definida como la masa de un objeto dividida entre su volumen, es una propiedad intensiva. La temperatura es también una propiedad intensiva. Suponga que se tiene dos recipientes, de agua a la misma temperatura; si se mezclan en un recipiente grande, la temperatura de esta mayor cantidad de agua será la misma que la del agua del recipiente separado. A diferencia de la masa, la longitud y el volumen, la temperatura y otras propiedades intensivas no son aditivas.

Alimentos y Agricultura

¿Cómo se podría lograr alimentar a la población mundial que aumenta con rapidez? En los países pobres, la agricultura ocupa alrededor del 80% de la fuerza laboral y la mitad del presupuesto de una familia promedio se gasta en comestibles. Esta es una tremenda derrama de los recursos de una nación. Los factores que afectan la producción agrícola son la riqueza del suelo, los insectos y las enfermedades que dañan a los cultivos y la maleza que compite por los nutrientes. Además de la irrigación, los granjeros dependen de los fertilizantes y de los pesticidas para aumentar el rendimiento de los cultivos. Desde 1950, se ha utilizado la aplicación indiscriminada de potentes productos químicos para el tratamiento de los cultivos que son atacados por plagas. Con frecuencia, estas medidas han tenido graves efectos en el ambiente; aún el uso excesivo de fertilizantes es dañino para la tierra, el agua y el aire.

Para satisfacer las demandas de alimentación del siglo XXI, deben idearse nuevas estrategias para la agricultura. Ya se ha demostrado que, por medio de la biotecnología, es posible obtener cultivos mas abundantes y de mejor calidad. Estas técnicas pueden aplicarse a diferentes productos agrícolas, no sólo para mejorar la producción, sino también para aumentar las cosechas anuales. Por ejemplo, se sabe que un tipo de bacteria produce una molécula proteíca que es tóxica para las orugas. Al incorporarse en los cultivos el gen que codifica esta toxina, las plantas pueden protegerse por si mismas sin necesidad de utilizar pesticidas. Los científicos también han encontrado un modo de prevenir la reproducción de la plaga de insectos. Los insectos se comunican entre si al producir y reaccionar ante moléculas especiales llamadas feromonas. Con la identificación y síntesis de las feromonas implicadas en el apareamiento de los insectos, es posible con el ciclo reproductivo de los insectos, es posible inducir el apareamiento temprano de los insectos o engañar a las embras para que se apareen con machos estériles. Además los químicos tienen la posibilidad de idear los medios para aumentar la producción de fertilizantes que sean menos nocivos para el ambiente, así como producir sustancia que eliminen selectivamente a las hierbas nocivas.

Materiales y tecnología

En el siglo XX la investigación y el desarrollo de la química han dado nuevos materiales para mejorar notoriamente la calidad de vida, y contribuido con infinidad de métodos, al avance de la tecnología. Algunos ejemplos son los polímeros (incluídos el caucho y el nailon), la cerámica (como los utensillos de cocina), los cristales líquidos (como los de las pantallas electrónicas), los adhesivos (utilizados en el papel para notas) y los materiales de recubrimiento (por ejemplo pinturas vinilicas).

¿Qué otros avances tecnológicos se esperan para el futuro inmediato? Una posibilidad son los materiales superconductores a temperatura ambiente. La electricidad se transporta por cables de cobre que no son conductores perfectos y, por consiguiente, se pierde, en forma de calor, alrededor del 20% de la energía eléctrica entre la planta de energía y el hogar, lo cual es un enorme desperdicio. Los superconductores son materiales que no tienen resistencia eléctrica y, por tanto, pueden conduicir la electricidad sin pérdida de energía. Aunque se conoce desde hace 80 años el fenómeno de superconductividad a muy bajas temperaturas (mas de 400 grados Fahrenheit por debajo del punto de congelación del agua) no fue sino hasta mediados de la década de 1980 cuando se logró un avance importante al demostrar que es posible fabricar materiales que se comporten como superconductores a (o casi) la temperatura ambiente. En esta búsqueda, ha sido importante la contribucion de los químicos en el diseño de la sínstesis de nuevos materiales que prometen ser útiles. En los próximos 30 años se verán superconductores de alta temperatura aplicados a gran escala en imágenes de resonancia magnética (IRM), en trenes elevados y en fusión nuclear.

Si se tuviera que mencionar un avance tecnológico que haya moldeado la vida más que ningún otro, ese sería la computadora. La "máquina" que dirige la constante revolución de las copmputadoras, es el microprocesador, diminuto chip de silicio que ha inspirado a incontables inventos, como las computadoras portátiles y los equipos fax. La eficiencia de un microprocesador se juzga por la velocidad con la que hace operaciones matemáticas, como la adición. El ritmo del progreso es tal que, desde su introducción, los microprocesadores han duplicado su velocidad cada 18 meses. La calidad de cualquier microprocesador depende de la pureza del chip de silicio y de la habilidad para añadir la cantidad necesaria de otras sustancias, por lo cual los químicos desempeñan una función importante en la investigación y en el desarrollo de los chips de silicio. Para el futuro, los científicos han empezado a explorar la posibiidad de la "computación molecular"; es decir, reemplazar el silicio con moléculas. Las ventajas de esto son que ciertas moléculas se les puede inducir para que respondan a la luz y no a los electrones, de tal manera que en vez de computadoras electrónicas se tendrían computadoras ópticas. Con la ingenieria genética apropiada, los científicos pueden sintetizar dichas moléculas utilizando microorganismos en lugar de grandes fábricas. Las computadoras ópticas también podrían tener una capacidad de memoria mucho mayor que las electrónicas.

Estados de la materia

La materia se clasifica en tres estados, aun cuando algunos ejemplos no se ajusten completamente a cualquiera de las tres categorías. En el estado sólido las sustancias son rígidas y tienen forma definida. El volumen de los sólidos no varía en forma considerable con los cambios de temperatura y presión; en algunos sólidos denominados cristalinos, las partículas individuales que los conforman ocupan posiciones definidas en la estructura cristalina. Las fuerzas de interacción entre las partículas individuales determinan la dureza y la resistencia del cristal. En el estado líquido las partículas individuales están confinadas en un volumen dado. Los líquidos fluyen y toman la forma del recipiente que los contiene; sin que su volumen varíe. Los líquidos son difíciles de comprimir. Los gases son menos denso que los líquidos y los sólidos, y ocupan todo el recipiente que los contiene; pueden expandirse hasta el infinito y se comprimen con facilidad. Se concluye que los gases consisten principalmente de espacio vacío; esto es, las partículas individuales están bastante separadas.

Los tres estados de la materia son convertibles entre ellos mismos. Un solido se fundirá, por calentamiento, para formar un líquido. (La temperatura a la cual ocurre esto se denomina punto de fusión.) Un calentamiento ulterior convertirá al líquido en gas. (Esta conversión se lleva a cabo en el punto de ebullición del líquido.) Por otro lado, el enfriamiento de un gas lo condensará para formar un líquido. Cuando el líquido se enfría aún más, se congelará para producir un sólido.

Separación de mezclas

Las muestras de elementos y compuestos rara vez se encuentran en la naturaleza en forma pura, o casi pura, por lo que es necesario separarlos de las mezclas en las que se encuentran. Cuando se prepara un compuesto en el laboratorio, se requieren varios pasos para separarlos en forma pura de la mezcla de reacción donde se formó (subproductos, materiales iniciales sin reaccionar  disolvente). Por lo tanto, la separación de las mezclas es muy importante; a continuación se describen algunos métodos para separar las sustancias puras de las mezclas.

• Filtración

La filtración es el proceso para separar sólidos que se encuentran suspendidos en los líquidos al pasar la mezcla a través de un embudo de filtración; cuando el liquido atraviesa el filtro, las partículas sólidas se retienen en el. La cantidad de plata en una solucion puede determinarse agregando ácido clorhídrico para formar cloruro de plata, el cual se recoge en un filtro, se seca y se pesa.

• Destilación

Un líquido que se vaporiza fñacilmente se llama líquido volátil. Cuando un liquido se calienta a una temperatura lo suficientemente alta, entra en ebullición, es decir, pasa al estado gaseoso o vapor. La destilación es el método por el cual se puede separar en sus componentes una mezcla que contenga sustancias volátiles; por ejemplo, si se calienta una solucion salina, el agua, que es el componente más volátil se evapora dejando atrás la sal sólida. El recipiente en el que se calienta la mezcla se llama matraz de destilación. El condensador es un tubo de vidrio de doble pared. Por la cámara exterior pasa agua fría para condensar el vapor caliente (gas) a un líquido. Cuando una mezcla líquida consta de dos o más líquidos volátiles; se emplea la destilación fraccionada. El líquido con punto de ebullición más bajo en forma general se destila primero. Las columnas fraccionadoras se empacan con perlas de vidrio para tener mayor superficie de contacto para que la parte menos volátil del vapor se condense. La temperatura es mayor en la superficie inferior y menor en la superior de la columna fraccionadora; así el líquido con punto de ebulición más bajo cae al matraz de destilación. Cuando el líquido más volátil se ha evaporado, la temperatura del matraz de destilación aumenta y el siguiente líquido más volátil comienza a evaporarse.

• Cromatografía

La cromatografía consiste en diversas técnicas utilizadas para separar mezclas.

En ella se emplea una fase estacionaria y una movil.

Cromatografía en papel. Si en un pedazo de papel filtro se traza una linea con tinta, los tintes que constituyen la tinta se separaran. Cuando un extremo del papel filtro seco se introduce en agua, cada tinte se aleja de la linea original a velocidad caracteristica propia. Las fibras húmedas del papel son la fase estacionaria y la solución de tinta es la fase móvil. Como los diferentes tintes tienen distinta atracción por las fibras húmedas del papel, se desplazan a lo largo del mismo a distinta velocidad.

Cromatografia en columna. Se hace pasar una mezcla líquida a través de una columna empacada con material absorvente. Después de que los compuestos se absorben en la columna, se agrega disolvente adicional que pasa a través de la misma columna. Algunos compuestos de la mezcla son atraídos por el material absorbente con mayor intensidad que otros. Estos componentens bajan por la columna con mayor lentitud que los que son retenidos con menor intensidad. Los componentes forman bandas a lo largo de la columna que se desplazan a diferente velocidad hasta salir por la parte inferior. Cada fracción se recoge y el compuesto de interés se separa del líquido.