De Que Cosas Se Tratan

7/23/2019 De Que Cosas Se Tratan

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UNLu-Dto. De Ciencias Básicas-Química Industrial (Cod.18192)-Unidad 01-hoja 1 de 10

Universidad Nacional de Luján, Dto. de Ciencias Básicas

QUÍMICA INDUSTRIAL (Cod. 10892)CURSO 2012

Unidad 01-Acerca de que cosas se tratan –y cuales no- en estaasignatura:

La letra chica en esta asignatura. Sistema y propiedades. Materia,materiales, sustancias y elementos. Enfoques macro y sub-microscópicos.Teorías y modelos en química. Modelos moleculares virtuales, distintostipos de representación.

1. Acerca de la asignatura.Antes que nada, no se trata de un curso que centre su atención en procesos productivos oextractivos en la industria química, algunos de éstos serán tratados en una asignatura siguiente(Procesos Industriales, Cod. 40142). Tampoco se verá aquí una descripción detallada de laspropiedades de interés industrial de los materiales (que corresponden a la asignatura Ciencia delos Materiales, Cod. 40140) ni se profundizará en el estudio de las transformaciones de la energíaque acompañan a las transformaciones de la materia (que se inició en Química General, Cod. 10933

y será completado en las signaturas Termodinámica, Cod. 40935 y Estudio de Fuentes de Energía,

Cod. 40138).Se trata de un suplemento de química, a secas, para los estudiantes de la carrera de Ingeniería

Industrial de nuestra Universidad en el que se intenta, apoyándonos en lo aprendido en laasignatura anterior de química (Química General, Cod 10933) ampliar la visión de que cosa es laquímica como disciplina, como funciona, para que sirve, por que es considerada central entre lasciencias naturales.

Su principal objetivo es presentar el método de la química. En ella se ejercitarán competencias de

abstracción, modelizado y predicción, aplicadas a la relación entre las propiedades observables(macroscópicas) de los materiales y las de los modelos con los que los químicos estudian laestructura de la materia (propiedades sub-microscópicas).

No se preocupe por tener que – aquí, una vez más- aprender denominaciones y conceptos

extravagantes, que no tienen uso fuera de la química y que por lo tanto olvidará rápidamente. Asíserá, nomás, lo importante es tenerlo en claro desde el comienzo. Es cierto que usted esestudiante de la carrera de Ingeniería Industrial, no de química, y que en todo caso, nadieaprende química en sólo dos cuatrimestres. Pero también es cierto que si tuviera que cursar uncuatrimestre en otra Universidad, tendría que aprender de memoria cosas que le serían demomento indispensables –donde están los sanitarios, la biblioteca, el comedor, la salida- y queluego graduarse podrá olvidar. El recuerdo que de ambas Universidades quede en su memoriaseguramente no incluirá esos detalles, pero se habrá formado con y gracias a ellos.Entendemos importante que en algún momento anterior a su desempeño profesional se haga el

oído , se familiarice con el tipo de lenguaje, la forma de encarar los problemas propia de los

químicos , con los que seguramente tendrá que compartir responsabilidades en algún futuro. Ese esuno de los objetivos de este curso.




Pero lo que consideramos más importante es que aproveche este cuatrimestre como un ejerciciointelectual. De entre las disciplinas que le conciernen, la química es la que ofrece un marco mássólido para el juego entre la teoría y la práctica, entre los cambios que vemos ocurrir en losfenómenos y el como , la forma, la dinámica o mecanismo con que nos imaginamos que suceden,

podemos predecir su curso.

Si es del tipo de persona que alguna vez se hizo a sí misma preguntas del estilo de ¿qué es lo quehay detrás del botón del ascensor, que hace que me lleve hasta el piso que yo quiera? es

particularmente bienvenido a nuestro curso de Química Industrial (Cod. 18192). En casocontrario, esperamos que este cuatrimestre le ayude a iniciarse en esa necesaria, vital adicciónpor conocer, atisbar, imaginar el otro lado de las cosas. Que sea una oportunidad para iniciarse –sino lo ha hecho aún- en el modo universitario de encarar las situaciones problemáticas.

2. Acerca de estas fichas.

Que cosa son, y que no son, estas fichas: antes que nada, no son partes de un libro casero,económico, que pueda usarse en reemplazo de los que están en la biblioteca; difícilmente se puedaaprender estudiando de ellas. Son apuntes de clase, como los que podría tomar usted mismo en elaula, sólo que fueron usadas para preparar el desarrollo de los temas. Muchos docentes preparansus clases en PowerPoint , y distribuyen una copia de lo que mostrarán antes de comenzar la clase,estas fichas son algo así, sólo que un poco más conversado. No pretenden ser mejores que susapuntes, están por si se perdió algo.

3. Acerca de la realidad , y de cómo ésta es estudiada científicamente.

Antes de comenzar, revisemos algunas definiciones que nos ayuden a encarrilar nuestropensamiento, y a separar lo que observamos de lo que interpretamos, a mantenernos a distanciaprudencial de las explicaciones mágicas o de sentido común . Para que la interpretación de unfenómeno sea científicamente aceptable no es tan importante que suene bien , parezca lógica,como que sea coherente con el resto de las interpretaciones: que el hielo flote es una observaciónimpecable, cualquiera puede verificarlo experimentalmente; pero que la explicación recurra a su

deseo por entibiarse, automáticamente coloca la interpretación fuera del ámbito de la ciencia.




(Calvin and Hobbes Watterson Universal Press Syndicate, citado en General Chemistry, de Whitten, Davis y Peck.)

Llamamos ley al resumen del conocimiento de algo que, según cualquier ojo entrenado puedeobservar, siempre ocurre de la misma manera. Por ejemplo, al disminuir a temperatura constantela capacidad del recipiente que contiene un gas cualquiera, la presión aumenta: siempre que serepitió esta experiencia, se obtuvo el mismo resultado. Cuando la apreciación parece no teneraplicación general, se habla de leyes sino de reglas, como en la regla de las diagonales , etc. “Todaregla tiene su excepción” reza la sabiduría popular, pero las leyes (en las ciencias) no pueden

tenerlas.

Al buscar una explicación, una justificación o regla nemotécnica que nos ayude a manejarnos conlas leyes, se recurre a las hipótesis, modelos mentales del porqué de las cosas. Por ejemplo,

podemos sostener que la presión de un gas es consecuencia del choque de las moléculas -hipotéticas moléculas, a las que nadie ha visto - contra las paredes del recipiente.Cuando se postula más de una hipótesis para un mismo fenómeno, la elección debe recaer sobre lamás sencilla, convención conocida como la navaja de Ockham (al razonar “no ha de presumirse la

existencia de más cosas que las absolutamente necesarias”). La validez de las hipótesis seextiende hasta tanto alguna experiencia muestre resultados opuestos a los por ella previstos.Cuando un conjunto de hipótesis se integran, complementándose entre sí en la explicación ypredicción de fenómenos, el andamiaje formado por éstas es considerado una teoría. Asíhablamos de la teoría atómica, que emerge de la cooperación de la hipótesis de que los átomosestén formados por protones, electrones y neutrones, que tengan un núcleo pequeño, que los

electrones puedan ser estudiados como ondas, que sea el número de protones en el núcleo atómicoquien determina las propiedades químicas de los elementos, etc.

Observe que mientras que un juez podría –eventualmente- querer buscar la verdad -quien fue encada caso el infractor, el delincuente, el asesino- un científico ni siquiera se lo propone: no buscaverdades más allá de lo que pueda ver , sólo se interesa en conseguir una teoría formada por lamayor cantidad de hipótesis que, al tiempo que formen un cuerpo único y sin contradicciones, denexplicaciones coherentes a las leyes, las regularidades, a eso que siempre ocurre de la mismamanera.Las teorías no suelen ser muy resistentes en un mundo donde hay tanta gente investigando –yaquedaron atrás la tierra plana, el horror al vacío, el impulso, el éter- pero mientras dura su

reinado, presentan un irreal realismo. Así es frecuente que los químicos digamos, por poner unejemplo, que el sodio tiene propiedades de metal alcalino porque está en la primera columna de la




Tabla Periódica; afirmación absurda porque la cosa es justamente al revés, se armó una columna

en la Tabla Periódica reuniendo en ella a todos los elementos que mostraban propiedades de metalalcalino, y ahí cayó el sodio. Pero gaffes , furcios o metidas de pata de este estilo –que podráencontrar hasta en los buenos libros de texto- revelan la confianza que infunden las teoríascuando su poder predictivo es reconocidamente bueno.

4. Una visión química de los materiales.

De la observación de los materiales a nuestro alrededor podemos sacar dos ideas iniciales: quesirven para distintos fines, y que algunos parecen ser simples y otros, compuestos. A la idea desirven para tal o cual uso seguramente ya la ha reemplazado por la de propiedad –unos conducen laelectricidad, otros no, algunos son transparentes, otros duros, otros flexibles, etc. Estaspropiedades (o más precisamente: los valores que en cada uno de ellos adoptan lascaracterísticas que les son propias , medidas de alguna forma normalizada ) permiten no sólo suidentificación, sino también su separación en los materiales compuestos.

Del agua salada podemos obtener sal y agua, aprovechando queuno de los componentes es destilable; con un imán podemosseparar del aserrín las partículas de acero desprendidas de laherramienta, etc. A los materiales de los que no puedeobtenerse nada diferente utilizando métodos físicos deseparación, se los llama sustancia. Si bien cualquier sistema –eso a lo que prestemos atención- que impresione nuestros

sentidos es un sistema material, a veces reservamos la vozmaterial para aquellos que sean mezclas de varias sustancias.

Además de los métodos físicos de separación, de purificación como la destilación, el tamizado,filtrado, etc. se han encontrado que otros métodos, como la electrólisis, la pirólisis, etc. que

afectan la naturaleza de los materiales.Aplicados a la mayoría de las sustancias, permiten obtener otros componentes. A las sustanciasde las que no puede obtenerse más de un componente utilizando métodos químicos de separación,se los llama elementos.

Mudándonos del mundo macroscópico, real de las destilaciones, tamizados, electrólisis, al sub-microscópico donde sólo existen entes imaginados, encontramos que, en la interpretación de lateoría atómico-molecular corriente, los elementos están formados por átomos que al unirse

entre sí componen las moléculas, que son como los átomos de las sustancias. Finalmente la teoríade las fuerzas intermoleculares nos ayuda a predecir las propiedades macroscópicas, observables

de los materiales (sustancias elementales y compuestas, y mezclas de sustancias) a partir de laspropiedades sub-microscópicas de los átomos y moléculas.

Esta clasificación permite encarar el estudio de los materiales con un orden fructífero: loselementos son sólo unos cien –y de interés significativo, muchos menos. Disponiendo de un modelorazonablemente sencillo y preciso de cómo estos átomos se relacionan entre sí para dar

sustancias, reducimos el esfuerzo de estudiar los cientos de miles (¿millones?) de sustanciasconocidas, a la aplicación de unas pocas reglas a unos pocos elementos. Y con otro modelo, estavez de relación entre moléculas, organizamos el estudio de una cantidad innumerable demateriales compuestos.




A la teoría corriente para las uniones químicas –bueno, o al menos, una de ellas, estas cosastambién suelen estar sujetas a modas- ya fue vista y usada en Introducción a la Química (Cod.10017) y en Química General (Cod. 10933) pero de todos modos –ya aceptamos que estas cosas seolvidan rápidamente- las revisaremos en la siguiente Unidad 02. La teoría corriente para lapredicción de propiedades de sistemas materiales a partir de las propiedades supuestas para losátomos y moléculas, en la Unidad 04.

5. Macroscópico/Sub-microscópico – Obsevación/Simulación.

Recomendamos hacer una pausa aquí para resaltar un aspecto acerca de cómo funcionan las

ciencias básicas, que tipo de comportamiento intelectual le pedimos que ejercite estecuatrimestre. Por ejemplo: para saber que pasa si arrojamos una piedra contra el vidrio de unaventana no hace falta probar , podemos manejar mentalmente la situación, todos disponemos de unmodelo mental razonablemente completo de como interaccionan distintos tipos de vidrio conpiedras de distinto tamaño y peso, lanzadas con distinta fuerza. Y en la simulación, ese modelo noemplea objetos reales sino los conceptos de piedra, de vidrio, etc. Y ni siquiera es necesario

pensar en una piedra en particular. Tampoco importa que no haya en el mundo dos piedrasexactamente iguales –basta con ser suficientemente exigente en la comparación- sabemos que elresultado de ser lanzada contra el vidrio no se verá sensiblemente afectado por esas diferencias.

Podemos decir que el concepto de piedra, así como el modelo “ pedrada en el vidrio” son de alguna

forma reflejos de alguna realidad que impresiona directamente nuestros sentidos. No ocurre lomismo con el modelo atómico, no hay ninguna realidad concreta relacionada con el átomo, estemodelo no es un reflejo, la comparación con algo que nos haya ocurrido. Es una interpretación , un

artefacto mental que permite –esperamos convencerlo de ello en este cuatrimestre- explicar ypredecir las propiedades de los materiales existentes sin tener ella misma existencia material.Observe que todos nos referimos a la teoría atómica. No hay forma de comprobar la existencia real, material de los átomos, ni siquiera valdría la pena intentarlo; es sólo una interpretación útil,un racimo de reglas autoconsistentes de alto poder predictivo, como lo muestra la cantidad yvariedad de materiales producto de diseño, con propiedades hasta hace poco inimaginables, quehoy llenan los estantes de las ferreterías, farmacias, etc.

Esta asignatura está armada con un subconjunto de reglas de esta teoría, seguramente no es elmejor de los recortes, sus predicciones no son las más precisas pero forman un conjuntohomogéneo; esperamos que pueda hacer el esfuerzo de familiarizarse con ellas para ejercitar aquíel método de la Química, la ciencia central .

6. Lenguajes o estilos de relato.

Algunas consideraciones acerca de los sistemas de representación: para comenzar digamos que esfrecuente en química que el discurso pase, sin previo aviso, de un formato a otro. Porque hay tresformatos generales para describir cambios químicos, el macroscópico, basado en la mención de

propiedades medibles del sistema, el simbólico, en el que se emplean símbolos químicos (omatemáticos) y otro a nivel atómico o molecular, sub-microscópico -llamado así para recordar que




no es una cuestión de aumentos en el microscopio, a los átomos no se los podrá ver porque son sólo

representaciones idealizadas que carecen de existencia fuera de los modelos.Según sea la circunstancia, se elige el formato que parezca mejor para transmitir la informacióndeseada. Pero no siempre se avisa cual es éste, y eso suele provocar confusión en quienes notienen un manejo fluido de la química, tal vez sea su caso.

Esto es, puede decirse que “el metano quema en presencia de oxígeno…”,como una descripción macroscópica de lo que vemos que ocurre, o bienpodemos usar simbolismos que nos faciliten los cálculos estequiométricos

–a costo de perdernos la descripción de la llama, la evocación de sucalor, etc,

CH4 + 2O2 - > CO2 + 2H2O

y también podemos recurrir a representaciones con modelos moleculares, para resaltar algunascaracterísticas de las sustancias intervinientes, que es predecible que uno de los productos de la

reacción sea polar, por ejemplo.

La jerga química contribuye, en muchas ocasiones, a la confusión de los no-iniciados: masamolecular y masa molar son conceptos que corresponden uno al modo sub-microscópico y otro al

macroscópico. Pero suenan parecido y hasta se representan generalmente con el mismo símbolo:

Mr

Respecto a la representación sub-microscópica, hay una rica variedad de técnicas, de utilidadsegún las características en las que se esté prestando atención:

CH4

El metano es un compuesto de sólo carbono ehidrógeno. Su composición atómica es: uncarbono y cuatro hidrógenos

Puede interesarnos mostrar su estructura de

Lewis

o bien que en el metano la hibridación del

carbono es sp3

o, lo que es lo mismo dicho desde otro tipo deexplicación, que el átomo central de carbono

está rodeado por cuatro zonas de altadensidad electrónica,




razón por la que el conjunto adopta la forma

de un tetraedro, con el átomo central en sucentro geométrico.

como se ve, tal vez más claramente, de estaotra forma.

De esta manera se simplifica la representaciónconservando la distribución, la simetría de los

enlaces dentro de la molécula,

si bien se pierde la proporción de los radioscovalentes, que se conserva mejor en unarepresentación de bolas y palitos.

Las representaciones ‘llenas’, que respetan los

radios de Van der Waals, dan una imagen másrealista de la molécula, pero simultáneamentemás difícil de interpretar, en ocasiones.

Pueden usarse distintos colores para agregarinformación acerca de la naturaleza

electrostática de la superficie, incorporandouna información que en las representacionesanteriores estaba sólo en forma implícita. Enel otro extremo, una representación quemuestre sólo las uniones covalentes es más‘limpia´.

Hay más, las veremos cuando las necesitemos, de momento sólo es importante tener en cuenta quese trata de distintas representaciones de la misma cosa, remarcando distintos aspectos según secrea conveniente en cada caso particular. Después de todo ¿Cual de las dos imágenes representa

mejor la exhibición de La Gioconda? ¿Representan realidades diferentes?




-Bibliografía general, recomendada y disponible en la Biblioteca Central de la Sede Luján de la

UNLu:

Temas de química general, versión ampliada, Angelini, María. Eudeba 1995 2a. ed.Química, curso universitario Mahan, Bruce M.

Química general, Pauling, LinusQuímica, Chang, Raymond McGraw-Hill 2007 9a.ed.Química, la ciencia central, Brown, Theodore L. Pearson Educación 2004 9a. ed.Química general, Whitten, Kenneth W. Dovgal 1998 5a. ed.Química orgánica, Carey, Francis A. McGraw-Hill 2006 6a.ed.Química orgánica, McMurry, John Thomson 2005 6a.ed.Química orgánica, Allinger, NormanCiencia e ingeniería de los materiales, Askeland, Donald R. Thomson Editores 1998 3a. ed.Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales, Callister, William D. Reverté 1997

-Fixture previsto

Lunes Miércoles05/03 Unidades 01 / 02 07/03 Unidad 02

12/03 Unidad 03 14/03 Unidad 03

19/03 Unidad 04 21/03 TP 1: Tensión Superficial

26/03 Unidad 05 28/03 TP 2: Viscosidad

02/04 Feriado 04/04 Integración

09/04 1er Examen parcial 11/04 Unidad 06

16/04 Unidad 06 18/04 Unidad 07

23/04 TP 4 Ident. de polímeros 25/04 Unidad 0830/04 Feriado 02/05 Unidad 08

07/05 Exámenes adicionales 09/05 Exámenes adicionales

14/05 Integración 16/05 2do examen parcial21/05 Unidad 08 23/05 TP 3 Diagrama ternario

28/05 Unidad 09 30/05 Unidad 09

04/06 TP 5 Porosidad 06/06 Unidades 10 / 11

11/06 Unidades 10 / 11 13/06 Unidad 12 / TP 6:Redox

18/06 3er examen parcial 20/06 Feriado

Unidad 01 De que cosas se tratan -y cuales no- en esta asignaturaUnidad 02 De la constitución sub-microscópica de las sustanciasUnidad 03 Construyendo moléculas mas complejasUnidad 04 Del lenguaje electrostática de las moléculasUnidad 05 Un caso de aplicación-el petróleoUnidad 06 Las macromoléculas orgánicasUnidad 07 Propiedades mecánicas de los polímetros sintéticosUnidad 08 Química de los sólidosUnidad 09 CerámicosUnidad 10 Algunas maquinas moleculares sencillasUnidad 11 Imitando a la naturaleza

Unidad 12 Otro caso de aplicación-cubiertas protectoras




Para ejercitación.

1. Un caso tomado de 'Química General' de Silberberg:

“…mientras prepara en la tostadora eléctrica las tostadas para el desayuno, nota que elpan no se calienta. Verifica que a pesar de que no funciona, la tostadora está enchufada yencendida. Lleva la tostadora a otra habitación, y allí sí funciona. Regresa al lugar inicial,enchufa una licuadora y observa que ésta tampoco funciona.”

Describa que modelos mentales usó el personaje del cuento cuando:-verificó que la tostadora estaba enchufada y encendida, pero no funcionaba.-cambió de enchufe.-cambió de artefacto.

2. En una mezcla de yodo (I2) y arena ¿Cuántos componentes hay? ¿Cuántas fases? ¿Qué tipo demezcla es? Para separar los componentes de una mezcla de arena y dicromato de potasio(K2Cr207) ¿Es suficiente agregar una cantidad de agua que asegure la total disolución de que lasal, separar las fases por filtración y luego evaporar el agua agregada, o será necesario lavar elresiduo de la filtración con más agua?Para responder ahora a estas preguntas, que fueron tomadas de una guía de trabajos prácticos deQuímica General:

¿Recurrió a recuerdos de experiencias realizadas?¿Aplicó mentalmente reglas, leyes o principios de ciencias que recordara?¿Consultó en la bibliografía los resultados publicados por los que estudiaron conprofundidad el tema?¿Ya conocía las respuestas, por haberse planteado estas dudas en alguna oportunidad

anterior?Si tuviera que calificar a estos métodos ¿Cuáles le parecen más seguros , en que casos y porqué?

3. Una cita a French, en ‘Invention and Evolution-Design in Nature and Engineering 2nd ed [1996] ‘Suponga que le preguntan cual de estos tres elementos está de más, no pega en elconjunto formado por: una cascada, una margarita y una locomotora.Una respuesta podría ser la locomotora, ya que es la única que fue construída, otra podríaser la margarita, porque es la única que está viva.Pero también podemos justificar la siguiente respuesta: la locomotora y la margarita

muestran evidencias de algún tipo de diseño, todas sus partes parecen estar adaptadas aalguna finalidad particular, mientra que la catarata no, es distinta –el agua cae, y listo, no

parece haber relación entre sus partes, ni servir a ningún fin.’¿Cuál de las respuestas será –más probablemente- del gusto de un antropólogo, naturalista o unquímico?

4. Leemos –el recorte es nuestro- en la ‘Guía de estudio y problemas Introducción al EquilibrioQuímico Equilibrio Homogéneo y Heterogéneo, Unidad No 9 de Química General:

‘En 1884 el químico Henri Luis Le Châtelier proporcionó para el principio que lleva sunombre la siguiente formulación:“Todo sistema en equilibrio químico estable, sometido a la influencia de una causa exteriorque tiende a hacer variar su temperatura o su condensación (presión, concentración,número de moléculas por unidad de volumen) en su totalidad o solamente en alguna de suspartes sólo puede experimentar unas modificaciones interiores que, de producirse solas,llevarían a un cambio de temperatura o de condensación de signo contrario al que resulta




de la causa exterior.”

El principio fue imponiéndose en su relativamente corta historia. Las aplicacionesindustriales fueron el principal motor por el cual comenzó a tomar popularidad y aincluirse en los libros de química de entonces. Otra de las razones por las que alcanzó tangran popularidad (y universalidad) ha sido su carácter metafísico, en el sentido del intento

de explicar algún principio básico de la ciencia desde el punto de vista del sentido común ode experiencias cotidianas.Pero si en la síntesis del amoniaco:

N2 (g) + 3 H2 (g) -> 2 NH3 (g) + calor (reacción exotérmica)

nos preguntamos qué ocurrirá si añadimos al sistema, a presión y temperatura constante,una cierta cantidad de nitrógeno podemos responder, basándonos en la aplicaciónmecánica del principio de Le Châtelier, que el sistema “reaccionará” oponiéndose a esaadición, desplazándose el equilibrio, hacia la derecha, con formación de una mayorcantidad de amoníaco. Sin embargo, debemos tener presente que el proceso se produce apresión constante, de forma que la adición de una cierta cantidad de nitrógeno produce unaumento en su presión parcial, al mismo tiempo que disminuye la presión parcial del

hidrógeno. Por tanto, se producen dos variaciones que dan –aceptando la validez delPrincipio- efectos contrapuestos.Un estudio teórico cuantitativo de este equilibrio producido por varios autores (de Heer,1957; Katz, 1961; Wright, 1969; y Helfferich, 1985) demuestran que si la fracción molardel nitrógeno es menor que 0,5 el equilibrio se desplaza formando más amoniaco y si sufracción molar es mayor que 0,5 el amoniaco se descompone para formar más nitrógeno.’

¿Es la existencia de excepciones como ésta lo que impide que lo que descubriera –o intuyera- LeChâtelier pueda ser tomado como una ley de la naturaleza? ¿Es que de Heer y sus compañerosencontraron la excepción que confirma que se trata sólo de una regla? ¿Para que sirven las reglas,los principios –no los morales, nos referimos a los de ciencias naturales- si no es posible confiar en

ellos?

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