Conceptos clave de fisicoquímica: Solubilidad, termodinámica y propiedades de los líquidos

Conceptos clave de fisicoquímica

Solubilidad de gases en líquidos

1. La solubilidad de los gases en líquidos depende principalmente de cuatro factores. Marque usted con (X) cuál de las alternativas no es uno de esos factores.

• Temperatura
• Reacciones químicas
• Solubilidad (X)
• Efecto de las sales
• Presión

2. Cuando dos soluciones se ponen en contacto a través de una membrana semipermeable, las moléculas del disolvente se difunden pasando desde la solución con menor concentración de solutos a otra de mayor concentración. Este proceso recibe el nombre de ÓSMOSIS. Al suceder esto, se crea una diferencia de presiones a ambos lados de la membrana, provocando lo que se conoce como PRESIÓN OSMÓTICA.

3. Las PROPIEDADES de las disoluciones no dependen de la naturaleza del SOLUTO, sino únicamente de la CONCENTRACIÓN de la disolución, y reciben el nombre de PROPIEDADES COLIGATIVAS.

4. ¿A través de qué y hacia dónde se desplazan los iones en la electrólisis?

   • a) Calor y energía
   • b) Electricidad y electrodos
   • c) Cátodos y ánodos
   • d) Energía y polos
   • e) N.A.

5. Propiedades denominadas coligativas (ligadas en conjunto)

   “Las más importantes son el punto crioscópico, el punto de ebullición, la presión de vapor y…”

   • a) Presión parcial
   • b) Presión osmótica
   • c) Presión total
   • d) Presión atmosférica
   • e) Presión del vapor

   Respuesta: B

6. Según la ley de Henry:

   “La cantidad de gas disuelta en un líquido a una determinada temperatura es…”

   • a) Directamente proporcional a la presión total que ejerce ese líquido sobre el gas
   • b) Inversamente proporcional a la presión parcial que ejerce ese gas sobre el líquido
   • c) Directamente proporcional a la presión parcial que ejerce ese gas sobre el líquido
   • d) Inversamente proporcional a la presión parcial que ejerce ese líquido sobre el gas
   • e) Directamente proporcional a la presión total que ejerce ese gas sobre el líquido

   Respuesta: C

Propiedades de los líquidos

1. Completar el siguiente enunciado:

   Todos los sólidos y líquidos producen VAPORES EN ÁTOMOS O MOLÉCULAS QUE SE HAN EVAPORADO DE SUS formas condensadas.

2. Las partículas de los líquidos se unen por:

   FUERZAS DE ATRACCIÓN

3. ¿En un líquido, a la cantidad de energía necesaria para aumentar su volumen por área se le denomina?

   Tensión superficial

4. Marque la respuesta correcta. ¿Por qué los líquidos son incompresibles?

   • A) Porque adoptan la forma del recipiente que los contiene.
   • B) Por las deformaciones tangenciales.
   • C) Al mezclar dos líquidos, uno de ellos difunde sus moléculas en el otro a una mayor velocidad que el otro.
   • D) Las fuerzas intermoleculares de atracción y repulsión se encuentran igualadas.
   • E) Porque las moléculas que los constituyen están tan unidas que no pueden acercarse más; solo pueden deslizarse las unas sobre las otras. Los líquidos, al igual que los sólidos.

   Respuesta: E

5. ¿Cuál de las siguientes alternativas presenta mayor grado de viscosidad?

   • a) Miel de abeja
   • b) Agua
   • c) Alcohol
   • d) Vinagre

   Respuesta: A

6. ¿Por qué se evapora el agua al aumentar la temperatura?

   Porque al aumentar la temperatura, la energía intermolecular disminuye, por lo tanto, aumenta la energía cinética.

Preguntas de fisicoquímica

Fluido no newtoniano

Es aquel fluido cuya VISCOSIDAD varía con la TEMPERATURA y la tensión cortante que se le aplica.

• Viscosidad - Temperatura Rpta.
• Temperatura - Densidad
• Acción - Fuerza
• Fuerza - Densidad
• N.A.

Energía libre

Energía libre o llamada también ENERGÍA DE GIBBS O ENTALPÍA LIBRE. Rpta.

• Energía oculta o densidad de líquidos
• Calor térmico
• Temperatura constante
• Calor periférico

Josiah Willard Gibbs

Conocido como padre de LA FISICOQUÍMICA, inventor del término ENTALPÍA. Rpta.

Unidades

¿Qué unidades se utilizan para hallar la energía libre? kJ/mol y kcal/mol. Rpta.

Metabolito

Un metabolito es una SUSTANCIA producida por el METABOLISMO de un organismo vivo. Rpta.

• Acción - Calor
• Mezcla - Reacción
• Acidez - Estómago
• Idea - Pensamiento

Cuestionario: Punto de ebullición, entropía y probabilidad, energía libre superficial

1. Marque la respuesta incorrecta. Con respecto al punto de ebullición, no se puede decir que:

   • a) Temperatura por la cual una sustancia pasa de estado líquido a sólido.
   • b) Temperatura por la cual una sustancia pasa de estado líquido a gaseoso.
   • c) El punto de ebullición del agua es de 100 °C a una atmósfera.
   • d) Al incrementar la temperatura, se acelera el punto de ebullición.

2. Con respecto al punto de ebullición, se puede afirmar que:

   

   • Podemos identificar no solo a una muestra, sino también su grado de pureza.
   • La energía cinética de las partículas de la superficie es menor que la energía cinética del líquido.

3. La variación de la entropía nos muestra la variación del orden molecular ocurrido en una reacción química. Por lo tanto, se puede afirmar los siguientes enunciados, excepto:

   • a) Si el incremento de entropía es positivo, los productos presentan un mayor desorden molecular que los reactivos.
   • b) Cuando el incremento es negativo, los productos son más ordenados.
   • c) Si el incremento de entropía es positivo, los reactivos presentan un mayor orden molecular que los productos.
   • d) Hay una relación entre la entropía y la espontaneidad de una reacción química dada por la energía de Gibbs.

4. La probabilidad termodinámica del sistema está dada por:

   • a) El número de microestados compatibles con un macroestado dado.
   • b) La segunda ley de la termodinámica.
   • c) La constante de Boltzmann.
   • d) Probabilidad termodinámica del sistema.

5. Completar:

   En los años 1890-1900, el físico austríaco Ludwig Boltzmann y otros desarrollaron las ideas de lo que hoy se conoce como mecánica estadística.

6. Completar:

   El fenómeno de tensión superficial se da mediante la energía libre superficial.

Cuestionario adicional

1. En la siguiente pregunta, marcar verdadero o falso dentro del paréntesis.

   Este método se basa en la medición de la temperatura de recondensación del vapor mediante un termómetro adecuado que se coloca en el reflujo durante la ebullición. Estamos hablando del método dinámico ( VERDADERO ).

2. El punto de ebullición depende de:

   • La frecuencia con la que se obtiene un resultado al llevar a cabo un experimento aleatorio (F)
   • La masa molecular de la sustancia y del tipo de las fuerzas intermoleculares (V)
   • La aleatoriedad del movimiento molecular (F)
   • La energía cinética media de las moléculas (F)
   • La determinación de si la sustancia es covalente polar o covalente no polar (V)

3. En la mecánica estadística, ¿para quiénes la entropía fue redefinida y generalizada?

   Respuesta: Para los sistemas fuera de equilibrio, partiendo de la cuantificación de las probabilidades de las distribuciones microscópicas.

4. ¿Cuál es el propósito de la teoría de los péptidos de alta unión a la malaria al glóbulo rojo?

   El propósito de la presente investigación es caracterizar matemáticamente la especificidad de unión de péptidos de 20 residuos de la EBA-140 al receptor del glóbulo rojo a partir de la teoría de la probabilidad y la ley de la entropía.

5. El punto de ebullición depende de la masa molecular de la sustancia y del tipo de las fuerzas intermoleculares de esta sustancia.

6. Escriba la fórmula de Clausius-Clapeyron:

   

Solubilidad de gases en líquidos, disolución, disociación electrolítica, ley de Henry

1. Es la medida o magnitud que indica la cantidad máxima de soluto que puede disolverse en una cantidad determinada de solvente y a una temperatura determinada.

   • a) Solubilidad
   • b) Calorimetría
   • c) Solubilidad saturada
   • d) Solubilidad insaturada
   • e) Solubilidad sobresaturada

2. Las unidades de expresión para la solubilidad son variadas. En general, se expresa en:

   • a) kg/litro
   • b) ml/litro
   • c) g/litro
   • d) kJ/mol
   • e) kcal/mol

3. No son factores que condicionan o modifican la solubilidad:

   • a) La temperatura
   • b) Concentración del soluto
   • c) Naturaleza química del soluto y el solvente
   • d) Volumen
   • e) La presión

4. Disociación electrolítica: Es la descomposición espontánea del electrolito en la disolución, en partículas con cargas eléctricas.

5. Ley de Henry: La solubilidad de un gas en un líquido depende de la temperatura, la presión parcial del gas sobre el líquido, la naturaleza del disolvente y la naturaleza del gas. The most common solvent is water.

6. La disolución se caracteriza por ser una mezcla homogénea, es decir, la sustancia que la componen forman una misma fase.

Estado cristalino, sistemas cristalinos, ley de Dulong y Petit, y ecuación de Bragg

1. Mencione características de dos sólidos cristalinos:

   • Las fuerzas y moléculas están separadas por moléculas relativamente intensas.
   • Las moléculas y átomos están unidos por fuerzas relativamente débiles.
   • Las moléculas y átomos están unidos por fuerzas relativamente intensas.
   • Las moléculas y átomos están separados por fuerzas relativamente intensas.
   • Las moléculas y iones están separadas por fuerzas relativamente intensas.

2. ¿Qué es el calor atómico?

   • a) El calor intercambiado por un átomo gramo de sustancia cuando su temperatura varía 1 K°.
   • b) El calor modificado a ciertas temperaturas.
   • c) Es el intercambio de átomos dependiente de su temperatura.
   • d) Es el calor externo de presencia de átomos a ciertas temperaturas.
   • e) El calor exotérmico de un átomo hacia el exterior.

3. ¿Cuándo se construye un sólido cristalino?

   • a) Se construye a partir de celdas trinitarias que sean paralelepípedos.
   • b) Se construye a partir de la repetición en el espacio de una estructura elemental paralelepipédica denominada celda unitaria.
   • c) Se construye a partir de una estructura no elemental ni paralelepipédica.
   • d) Se construye a partir de ninguna repetición en el espacio y solo con celdas unitarias.
   • e) Se construye a partir de 2 repeticiones dadas en el espacio con una celda unitaria.

4. ¿Cuáles son los sistemas cristalinos?

   • a) Hexagonal, cúbico, triclínico, monoclínico, decagonal, dodecagonal, romboédrico.
   • b) Triclínico, monoclínico, ortorrómbico, pentagonal, romboédrico, hexagonal, cúbico.
   • c) Romboédrico, hexagonal, cúbico, triclínico, monoclínico, heptagonal, nonagonal.
   • d) Triclínico, monoclínico, ortorrómbico, tetragonal, romboédrico, hexagonal, cúbico.
   • e) Pentagonal, romboédrico, hexagonal, cúbico, triclínico, onecagonal.

5. Debye avanzó en el estudio, considerando a los osciladores cuánticos como modos colectivos en el sólido, que ahora llamamos:

   • Electrones
   • Neutrones
   • Aniones
   • Protones
   • Fonones

6. Para los efectos de la reflexión, se debe aplicar:

   • a) El ángulo de incidencia es igual al de reflexión.
   • b) El ángulo de incidencia debe ser mayor al de reflexión.
   • c) El ángulo incidencia debe ser menos a la de reflexión.
   • d) El ángulo incidencia tiene que ser diferente a la de reflexión.
   • e) El ángulo de incidencia siempre es diferente a la de reflexión.

Fuerzas intermoleculares y propiedades de los líquidos

1. ¿Qué efecto producen las intensas fuerzas de atracción de tipo dipolo-dipolo, enlaces de hidrógeno o de London con las moléculas de los líquidos?

   Evitan que se muevan tan libremente y estén tan separadas.

2. ¿Cómo se compara la diferencia de estructura entre el estado líquido, sólido y gaseoso?

   Por medio de sus densidades.

3. Una molécula cerca del centro del líquido, ¿experimenta?

   El efecto de que sus vecinas la atraen casi en la misma magnitud en todas las direcciones.

4. Una de las características principales de la presión de vapor de los líquidos es:

   • A menor peso molecular, mayor valor en la presión de vapor.
   • La velocidad de condensación aumenta a medida que tiene lugar la vaporización, y aumenta la presión del vapor.
   • La condensación tiende a no volver el gas que se ha formado por vaporización al estado líquido.

5. El aumento del movimiento molecular va acompañado de una... y tiende a aumentar la..., pero a esto se oponen las poderosas fuerzas de atracción.

6. La VISCOSIDAD puede medirse tomando en cuenta el tiempo que transcurre cuando cierta cantidad de un líquido fluye a través de un delgado tubo, bajo la fuerza de la gravedad.

Energía libre de Gibbs

1. Gibbs propuso una nueva función de estado, ¿cómo se llamaba?

   • A) Energía libre de Williams K.
   • B) Energía libre de Gibbs.
   • C) Energía libre de Chatelier.
   • D) Energía Margalef.
   • E) N.A.

2. ¿Por qué se llamaba energía libre de Gibbs?

   • A) Porque se puede convertir libremente en trabajo útil a temperatura y presión constante.
   • B) Porque no se puede convertir libremente en trabajo útil a temperatura y presión constante.
   • C) Porque es un potencial termodinámico.
   • D) Porque postula que una reacción química hace que la entropía del universo aumente.
   • E) N.A.

3. "Cuando un sistema de equilibrio se somete a una acción de cualquier naturaleza, el sistema se desplaza hacia una nueva condición de equilibrio, de forma que se opone a dicha acción."

   VERDADERO

4. Ocurre igual que la simple difusión, pero aquí las moléculas atraviesan la membrana ayudadas por unas proteínas específicas.

   • A) Transporte activo.
   • B) Transporte pasivo.
   • C) Primario.
   • D) Secundario.
   • E) N.A.

5. Cuando se transportan dos moléculas a la vez en el mismo sentido.

   • A) Uniporte.
   • B) Antiporte.
   • C) Simporte.
   • D) T.A.
   • E) N.A.

6. Ocurre por acción de proteínas transportadoras, denominadas permeasas, translocasas, transportadores o portadores.

   • A) Transporte no mediado.
   • B) Transporte activo.
   • C) Transporte pasivo.
   • D) Transporte mediado.
   • E) Difusión facilitada.

Termodinámica

Sistema

Un sistema es cualquier espacio o material en el que se desea enfocar la atención, es decir, es una porción aislada o limitada del universo que se somete a investigación. Es una parte pequeña del universo que se aísla para someterla a estudio. El resto se denomina ENTORNO. El entorno (alrededores o medio ambiente) es el resto del universo externo al sistema.

Hay tres tipos de sistemas:

• Sistema abierto: Puede intercambiar masa y energía con su entorno.
• Sistema cerrado: Permite la transferencia de energía (calor), pero no de masa con su entorno.
• Sistema aislado: No permite la transferencia de masa ni de energía.

Primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica es la ley de la conservación de la energía, que se puede enunciar como “la energía total del universo es una constante”. Una forma más útil de la primera ley de la termodinámica, en las reacciones químicas, es:

ΔE = Q + W

La ecuación anterior define al cambio de energía interna ΔE de un sistema como la suma del intercambio de calor (Q) entre el sistema y sus alrededores y el trabajo (W) realizado sobre (o por) el sistema.

El calor es la energía transferida entre dos sistemas y que está exclusivamente relacionada con la diferencia de temperatura existente entre ellos.

Trabajo: Se realiza trabajo sobre un sistema cuando una fuerza hace que el sistema se desplace en la dirección de la fuerza.

La energía total de un sistema de sustancias químicas se llama energía interna (E). Esta energía interna depende del movimiento de las moléculas, de sus distribuciones, de las fuerzas intermoleculares de atracción y de otros factores, es una función de estado. El valor absoluto de la energía interna de un cierto estado no puede ser determinado, pero sí se puede determinar la variación de energía interna y se llama ΔE. Un cambio de la energía interna de un sistema es una consecuencia de una transferencia de calor o de la realización de trabajo, y es igual a:

E_productos – E_reactivos = ΔE = Q + W

Entalpía (H)

El contenido total de energía se llama entalpía H, y es igual a la energía interna (E) y el trabajo de expansión (T) que éste puede realizar.

H = E + PV

La variación de entalpía está dada por:

ΔH = ΔE + PΔV (OJO: Δ es por DELTA = Cambio de)

La entalpía expresa el calor liberado o absorbido en un proceso a presión constante.

La entalpía es una propiedad extensiva; esto es, su magnitud depende de la cantidad de sustancia.

Cualquier propiedad del sistema que dependa exclusivamente de los estados inicial y final y que sea independiente del proceso que se siga para pasar de un estado al otro, se conoce como propiedad de estado. La entalpía es una propiedad de estado ya que depende de los estados inicial y final. La magnitud de la entalpía sólo depende del estado de la sustancia y no de su origen.

El cambio de entalpía durante un proceso a presión constante se representa por ΔH (“delta H”, donde el símbolo Δ denota cambio), y es el calor liberado o absorbido por el sistema durante una reacción.

Para cualquier reacción que se efectúe directamente a presión constante, la entalpía es igual a la diferencia entre la entalpía de los productos y la de los reactivos, esto es:

ΔH_reacción = H_productos - H_reactivos

Tipos de variables

Existen dos tipos de variables termodinámicas:

• Variables intensivas: Son aquellas que resultan independientes de la extensión del sistema, como por ejemplo la presión y la densidad. Estas propiedades son no aditivas ya que si medimos alguna de estas variables en cualquier subdivisión del sistema obtendremos los mismos valores numéricos.
• Variables extensivas: Son aquellas proporcionales a la extensión del sistema y estas sí resultan aditivas. El volumen y la energía, etc. Son ejemplos de las propiedades extensivas. Si nosotros medimos el volumen de la mitad del sistema, hallaremos un valor de volumen que corresponde a la mitad del valor del sistema completo, por ello el volumen es una propiedad extensiva.

Termoquímica

La termoquímica es una subdisciplina de la fisicoquímica que estudia los cambios de calor en procesos de cambio químico, como lo son las reacciones químicas. Se puede considerar que las reacciones químicas se producen a presión constante (atmósfera abierta, es decir, P = 1 atm), o bien puede considerarse que se producen a volumen constante.

Tratándose de intercambios de calor a presión constante, la magnitud característica de la termoquímica es el incremento de entalpía, es decir, la variación de calor que se dará en el paso de reactivos a productos.

Existen dos procesos involucrados en el estudio de la termoquímica:

Proceso a presión constante

El calor intercambiado en el proceso es equivalente a la variación de entalpía de la reacción.

Proceso a volumen constante

El calor que se intercambia en estas condiciones equivale a la variación de energía interna de la reacción.

Procesos exotérmicos y endotérmicos

En función del calor que intercambien en el medio, los procesos se pueden clasificar como exotérmicos y endotérmicos. En el caso que nos ocupa, los procesos son las reacciones químicas, y lo que nos indicará si la reacción habrá perdido o ganado energía es la entalpía de la reacción.

Así tenemos reacciones:

• Exotérmicas: Desprenden calor hacia el entorno, es decir, pierden calor: q_p .
• Endotérmicas: Absorben calor del entorno, es decir, ganan calor: q_p > 0, y .

Primera ley de la termoquímica o ley de Lavoisier-Laplace

“El calor necesario para descomponer una sustancia en sus elementos es igual, pero de sentido contrario, al que se necesita para volver a formarla”.

Segunda ley de la termoquímica o ley de Hess

“El calor liberado a presión o volumen constante en una reacción química dada es una constante independientemente del número de etapas en que se realiza el proceso químico”.

Entalpías de combustión

Son los calores generados cuando se queman hidrocarburos (que contienen C e H) en presencia de O₂ (g) para dar CO₂ (g) y H₂O (l), y la combustión es completa. Ejemplo:

C₃H₈ (g) + 5O₂ (g) → 3CO₂ (g) + 4H₂O (l)

El calor que se produce es de 2217,90 kJ/mol y como se mide a 25 °C y 1 atm estando todas las sustancias en esas condiciones, ese valor es la entalpía estándar de combustión: ΔH°_c = -2217,90 kJ/mol.