Fundamentos de Física y Química: Estructura Atómica, Moles, Gases, Dinámica Newtoniana y Conservación del Movimiento

Conceptos Fundamentales de Química y Estequiometría

Estructura Atómica Básica

• Número atómico (Z): Es igual al número de protones en el núcleo de un átomo. En un átomo neutro, el número de protones es igual al número de electrones.
• Número másico (A): Es la suma del número de protones y el número de neutrones en el núcleo.
• Número de neutrones: Se calcula como A - Z (Número másico menos número atómico).
• Iones:
  • Un átomo que gana electrones se convierte en un ion negativo (anión).
  • Un átomo que pierde electrones se convierte en un ion positivo (catión).

Cálculos con Magnitudes Molares

• Cantidad de sustancia (n):
  • n = m / M (donde m es la masa y M es la masa molar)
  • m = n · M
• Volumen molar (V_m) para gases:
  • En condiciones normales (CN o STP: 0°C y 1 atm): 22,4 dm³·mol^-1 (o L·mol^-1)
  • En condiciones estándar (SATP: 0°C y 10⁵ Pa): 22,7 dm³·mol^-1 (o L·mol^-1)
• n = V / Vm (donde V es el volumen del gas en las condiciones de V_m)
• Densidad (d): d = m / V

Cálculos con Magnitudes Atómicas y Moleculares

• Número de partículas (N) (átomos, moléculas, iones):
  • N = n · NA (donde n es la cantidad de sustancia y N_A es el número de Avogadro, aproximadamente 6.022 x 10²³ mol^-1)
  • n = N / NA
• Masa de una partícula individual (m_partícula):
  • mpartícula = M / NA (donde M es la masa molar)

Ecuación General de los Gases Ideales

• Ley combinada de los gases (para una cantidad constante de gas): (P1 · V1) / T1 = (P2 · V2) / T2
• Ecuación de estado de los gases ideales: P · V = n · R · T
  • P: Presión absoluta
  • V: Volumen
  • n: Cantidad de sustancia (moles)
  • R: Constante de los gases ideales (ej. 0.082 atm·L·mol^-1·K^-1 o 8.314 J·mol^-1·K^-1)
  • T: Temperatura absoluta (en Kelvin)

Cálculos Estequiométricos

• Reactivo limitante: Es el reactivo que se consume completamente en una reacción química y, por lo tanto, determina la cantidad máxima de producto que se puede formar. Se identifica calculando la cantidad de producto que cada reactivo podría generar; el que produce la menor cantidad es el limitante.
• Nota sobre conversiones: Las expresiones como "g_mol/g_mol/mol_g/mol" se refieren a los pasos de conversión dimensional utilizados en cálculos estequiométricos (ejemplo: gramos de reactivo → moles de reactivo → moles de producto → gramos de producto).
• Rendimiento de las reacciones:
  • Rendimiento (%) = (Cantidad obtenida / Cantidad teórica) · 100
  • Cantidad obtenida: Masa de producto realmente obtenida experimentalmente.
  • Cantidad teórica: Masa de producto calculada a partir de la estequiometría de la reacción, asumiendo una conversión completa del reactivo limitante.
• Cálculo de volúmenes en reacciones gaseosas:
  • Se pueden usar relaciones molares estequiométricas y, para gases, la ecuación de los gases ideales: V = (n · R · T) / P.
  • Las conversiones tipo "g_mol/g_mol/mol_volumen/mol" implican convertir masa a moles, usar la relación molar de la reacción, y luego calcular el volumen del gas producido o consumido.

Las Leyes de Newton: Fundamentos de la Dinámica Clásica

Las Leyes de Newton son tres principios fundamentales a partir de los cuales se explican la mayor parte de los problemas planteados por la dinámica, en particular aquellos relativos al movimiento de los cuerpos. Estas leyes revolucionaron los conceptos básicos de la física y el movimiento de los cuerpos en el universo, constituyendo los cimientos no solo de la dinámica clásica, sino también de la física clásica en general.

Aunque incluyen ciertas definiciones y, en cierto sentido, pueden verse como axiomas, Isaac Newton afirmó que estaban basadas en observaciones y experimentos cuantitativos; ciertamente no pueden derivarse a partir de otras relaciones más básicas. La demostración de su validez radica en sus predicciones. La validez de estas predicciones fue verificada en todos y cada uno de los casos durante más de dos siglos.

Relevancia de las Leyes de Newton

En concreto, la relevancia de estas leyes radica en dos aspectos principales:

• Por un lado, constituyen, junto con la transformación de Galileo, la base de la mecánica clásica.
• Por otro, al combinar estas leyes con la Ley de la gravitación universal, se pueden deducir y explicar las Leyes de Kepler sobre el movimiento planetario.

Así, las Leyes de Newton permiten explicar tanto el movimiento de los astros como los movimientos de los proyectiles artificiales creados por el ser humano, así como toda la mecánica de funcionamiento de las máquinas.

Principio de Conservación de la Cantidad de Movimiento

Si sobre un sistema aislado no actúa ninguna fuerza exterior neta, la cantidad de movimiento (o momento lineal) total de dicho sistema permanece constante. Por tanto, si debido a interacciones internas entre los componentes de un sistema se produce un fenómeno (por ejemplo, un choque entre ellos o una explosión interna), la suma vectorial de las cantidades de movimiento de todos los componentes antes del fenómeno debe ser igual a la suma vectorial de las cantidades de movimiento de todos los componentes después del fenómeno. Esto se expresa como:

Σ (mi · vi)antes = Σ (m'j · v'j)después

Para un sistema de dos partículas que interactúan, esto se simplifica a:

m1v1 + m2v2 = m'1v'1 + m'2v'2

Donde:

• m representa la masa de una partícula.
• v representa la velocidad (que es una magnitud vectorial) de la partícula.
• Los subíndices 1 y 2 (o i, j) se refieren a las diferentes partículas del sistema.
• Las primas (') indican las cantidades (masa y/o velocidad) después de la interacción.

Un ejemplo común de este principio es el retroceso de las armas de fuego: la cantidad de movimiento hacia adelante de la bala y los gases expulsados se equilibra con la cantidad de movimiento hacia atrás (retroceso) del arma, conservándose la cantidad de movimiento total del sistema (arma + bala + gases), que inicialmente era cero.