MÓDULO VI

UNIDAD I

NÚCLEOS ATÓMICOS

QUÍMICA NUCLEAR.-Rama de la química que se ocupa del estudio de las reacciones de transformación y desintegración de los núcleos de los átomos radiactivos. Eslabón entre la física, la química, que tiene aplicación en medicina con el uso de isótopos radiactivos.

DESCUBRIMIENTO DE LA RADIOACTIVIDAD

El descubrimiento de la radiactividad ha sido crucial en la historia de las ciencias. Es, en las ciencias químicas fomentó el desarrollo de la radioquímica. La radioactividad se define como el proceso natural por el cual núcleos de elementos pesados se descomponen en núcleos de otros elementos más ligeros, partículas subatómicas y rayos gama.

La radiactividad fue descubierta en 1896 por el químico francés Becquerel durante sus estudios sobre la fluorescencia. Observó que una placa fotográfica no expuesta a la luz y envuelta en papel negro era impresionada como por la luz visible o ultravioleta; cuando el paquete se ponía en contacto con compuestos del elemento pesado uranio. Dedujo que este elemento debía producir algún tipo de radiación la cual atravesaba el papel hasta alcanzar y afectar a la emulsión fotográfica. Un cuidadoso estudio emprendido por Becquerel y otros científicos, reveló que cierto número de elementos químicos pesados parecían ser interiormente inestables y daban a origen a radiaciones penetrantes. Con ello, esos mismos elementos se transformaban en otros diferentes, siguiendo caminos complicados, pero bien definidos, en busca de una estabilidad final. Este fenómeno totalmente distinto de cualquier otro estudiado hasta entonces, recibió el nombre de radiactividad, y el proceso de transformación fue llamado desintegración radiactiva.

En 1898, los químicos franceses Marie y Pierre Curie dedujeron que la radiactividad es un fenómeno asociado a los átomos e independiente de su estado físico o químico. Pronto se descubrió que la radiactividad es una fuente de energía más potente que ninguna de las conocidas.

El descubrimiento de la radiactividad inició el periodo que se conoce como era atómica. Su uso civil ha supuesto un gran avance en la producción de energía electrica y en la fabricación de motores atómicos. Sin embargo, su uso militar ha resultado dramático. Por otra parte, el peligro que supone para la salud y el medio ambiente hace que su desarrollo reciba una fuerte oposición ciudadana.

RADIACTIVIDAD NATURAL

Se denomina radiactividad natural a aquella radiactividad que existe en la naturaleza sin que haya existido intervención humana. Su descubridor fue Henri Becquerel en 1896.

Puede provenir de dos fuentes:

1. Materiales radiactivos existentes en la Tierra desde su formación, los llamados primigenios.

2. Materiales radiactivos generados por la interacción de los rayos cósmicos con los materiales de la Tierra que originalmente no eran radiactivos, los llamados cosmogénicos.

Junto a los rayos cósmicos, que provienen del exterior de la atmósfera, las radiaciones emitidas por estos materiales son las responsables del 80% de la dosis recibida por las personas en el mundo (en promedio). El resto está provocado casi íntegramente por las prácticas médicas que utilizan las radiaciones (diagnóstico por rayos X, TAC, etc.)

La dosis media soportada por un ser humano viene a ser de 2,4 mSv. De todas las radiaciones ionizantes naturales (donde se incluyen los rayos cósmicos), es el 222Rn el que produce aproximadamente la mitad de la dosis que reciben las personas.

PROPIEDADES DE LAS PARTICULAS ALFA,BETA Y DE LOS RAYOS GAMMA

Primero que nada, cabe mencionar que los rayos X y los rayos gamma pertenecen a las radiaciones electromagneticas de alta frecuencia y onda corta del espectro, los rayos alfa y beta en realidad son particulas que viajan a gran velocidad y estan relacionadas con las desintegraciones nucleares de atomos pesados, como por ejemplo el Uranio 235.

A continuacion te dare las caracteristicas de cada uno de estos rayos y particulas, asi como la definicion que solicitas.

Rayos X Son tambien en ocasiones llamados rayos Roentgen ya que este cientifico los descubrio. Son radiaciones electromagneticas de alta energia (frecuencia = 10 a la 18 Hz) y son originados por las transiciones electronicas en los orbitales mas proximos al nucleo del atomo de Wolframio (que es el anodo en el tubo de rayos X). Algunas de sus caracteristicas son: Penetrar en la materia solida, provocar fluorescencia de ciertos compuestos quimicos, ionizar los atomos y afectar una placa fotografica, como tu sabes, algunas de estas propiedades los hacen tan

utiles en medicina.

Rayos Gamma Se originan en los procesos de fision nuclear o tambien en el decaimiento natural de los atomos radiactivos. Los rayos gamma son de mayor energia que los rayos X (frecuencia = 10 a la 20 Hz) y tienen mayor poder de penetracion que los rayos X. Para muchos elementos radiactivos, la emision de una particula alfa o beta por un nucleo, es seguida inmediatamente por la emision de un rayo gamma, son diez mil veces mas penetrantes que las particulas alfa.

Particulas Alfa Son nucleos de helio (o sea dos protones con dos neutrones) emitidos a gran velocidad, 2 000000000 cm/s (2 *10 a la 9 cm/s) por el radio y otras sustancias radiactivas, tienen una carga positiva equivalente a dos veces la carga del electron. Son de bajo poder de penetracion, pueden recorrer en el aire distancias de algunos centimetros, si estas particulas las hacer chocar contra una superficie que tenga sulfuro de cinc, se ven pequeños destellos luminosos.

Particulas beta Son electrones que se mueven con gran velocidad, comparable a la de la luz. Son similares a los rayos catodicos, tambien se generan en las desintegraciones nucleares y son 100 veces mas penetrantes que las particulas alfa.

LA DESINTEGRACIÓN RADIOACTIVA

 

Los núcleos están compuestos por protones y neutrones, que se mantienen unidos por la denominada fuerza fuerte. Algunos núcleos tienen una combinación de protones y neutrones que no conducen a una configuración estable. Estos núcleos son inestables o radiactivos. Los núcleos inestables tienden a aproximarse a la configuración estable emitiendo ciertas partículas. Los tipos de desintegración radiactiva se clasifican de acuerdo a la clase de partículas emitidas.

Desintegración alfa: El elemento radiactivo de número atómico Z, emite un núcleo de Helio (dos protones y dos neutrones), el número atómico disminuye en dos unidades y el número másico en cuatro unidades, produciéndose un nuevo elemento situado en el lugar Z-2 de la Tabla Periódica.

Desintegración beta: El núcleo del elemento radiactivo emite un electrón, en consecuencia, su número atómico aumenta en una unidad, pero el número másico no se altera. El nuevo elemento producido se encuentra el lugar Z+1 de

la Tabla Periódica.

Desintegración gamma: El núcleo del elemento radiactivo emite un fotón de alta energía, la masa y el número atómico no cambian, solamente ocurre un reajuste de los niveles de energía ocupados por los nucleones.

El programa interactivo describe un modelo de sustancia radiactiva A que se desintegra en una sustancia estable B. Se disponen N núcleos radiactivos de la sustancia inestable A. Se introduce la constante de desintegración . A medida que transcurre el tiempo se anota el número de núcleos que permanecen sin desintegrar. Posteriormente, se comprobará la ley exponencial decreciente a partir de los datos tomados.

De la observación del proceso de desintegración podemos extraer las siguientes relaciones cualitativas:

La velocidad de desintegración decrece a medida que los núcleos radiactivos se van desintegrando.

. No podemos predecir en que instante se desintegrará un núcleo concreto, ni qué núcleo se va a desintegrar en un determinado instante.

TRANSMUTACION DE LOS ELEMENTOS

La transmutación es un término relacionado con la alquimia, física y química que consiste en la conversión de un elemento químico en otro.

Desde los tiempos de la Alquimia se creía que esto era posible a base de reacciones químicas. Sobre todo desde que se conocía que la densidad del oro y el plomo eran muy semejantes (ver: Piedra filosofal).

Desde el descubrimiento del átomo se sabe que esto no es posible químicamente. Las reacciones químicas afectan tan sólo a los electrones de la corteza. La transmutación implica la alteración de los núcleos atómicos, lo que es un proceso totalmente diferente. Para cambiar un elemento en otro hay que modificar el número de protones que hay en el núcleo. El plomo tiene 82 protones y el oro 79. Así que para convertir el plomo en oro debe perder tres protones. No solo es teóricamente posible, también se ha hecho en la práctica; pero para hacerlo se necesita consumir mucha energía, tanta que el oro resultante es más caro que comprarlo en el mercado. Es decir, es posible, pero no es una fuente económica de conseguirlo.

Sin embargo, dicho fenómeno aparece en la naturaleza de forma espontánea cuando ciertos elementos químicos e isótopos tienen núcleos inestables. En dichos elementos, se producen fenómenos de radiación (alpha y beta) y de

fisión nuclear en donde los elementos van transmutándose en elementos de peso atómico inferior hasta que su núcleo se vuelve estable (normalmente en plomo).

El fenómeno contrario, la transmutación en elementos de mayor peso atómico, se da también a altas temperaturas como las que se registran en el sol, denominándose a dicho proceso fusión nuclear.

MEDICION DE LA RADIACTIVIDAD (investigación)

FISIÓN NUCLEAR

En física nuclear, la fisión es una reacción nuclear, lo que significa que tiene lugar en el núcleo atómico. La fisión ocurre cuando un núcleo pesado se divide en dos o más núcleos pequeños, además de algunos subproductos como neutrones libres, fotones (generalmente rayos gamma) y otros fragmentos del núcleo como partículas alfa (núcleos de helio) y beta (electrones y positrones de alta energía).

] Mecanismo

La fisión de núcleos pesados es un proceso exotérmico lo que supone que se liberan cantidades sustanciales de energía. El proceso genera mucha más energía que la liberada en las reacciones químicas convencionales, en las que están implicadas las cortezas electrónicas; la energía se emite, tanto en forma de radiación gamma como de energía cinética de los fragmentos de la fisión, que calentarán la materia que se encuentre alrededor del espacio donde se produzca la fisión.

La fisión se puede inducir por varios métodos, incluyendo el bombardeo del núcleo de un átomo fisionable con una partícula de la energía correcta; la otra partícula es generalmente un neutrón libre. Este neutrón libre es absorbido por el núcleo, haciéndolo inestable (como una pirámide de naranjas en el supermercado llega a ser inestable si alguien lanza otra naranja en ella a la velocidad correcta). El núcleo inestable entonces se partirá en dos o más pedazos: los productos de la fisión que incluyen dos núcleos más pequeños, hasta siete neutrones libres (con una media de dos y medio por reacción), y algunos fotones.

Los núcleos atómicos lanzados como productos de la fisión pueden ser varios

elementos químicos. Los elementos que se producen son resultado del azar, pero estadísticamente el resultado más probable es encontrar núcleos con la mitad de protones y neutrones del átomo fisionado original.

Los productos de la fisión son generalmente altamente radiactivos, no son isótopos estables; estos isótopos entonces decaen, mediante cadenas de desintegración.

Fisión fría y rotura de pares de nucleones

La mayor parte de las investigaciones sobre fisión nuclear se basan en la distribución de masa y energía cinética de los fragmentos de fisión. Sin embargo, esta distribución es perturbada por la emisión de neutrones por parte de los fragmentos antes de llegar a los detectores.

Aunque con muy baja probabilidad, en los experimentos se han detectado eventos de fisión fría, es decir fragmentos con tan baja energía de excitación que no emiten neutrones. Sin embargo, aún en esos casos, se observa la rotura de pares de nucleones, la que se manifiesta como igual probabilidad de obtener fragmentos con número par o impar de nucleones. Los resultados de estos experimentos permiten comprender mejor la dinámica de la fisión nuclear hasta el punto de escisión, es decir, antes de que se desvanezca la fuerza nuclear entre los fragmentos.

Induciendo la fisión

La fisión nuclear de los átomos fue descubierta en 1938 por los investigadores alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann a partir del trabajo desarrollado por el propio Hahn junto a Lise Meitner durante años anteriores. Por este descubrimiento recibió en 1944 el Premio Nobel de química, pero el trabajo de Meitner quedó sin reconocimiento. El estudio de la fisión nuclear se considera parte de los campos de la química y la física.

Aunque la fisión es prácticamente la desintegración de materia radioactiva, comenzada a menudo de la manera más fácil posible (inducido), que es la absorción de un neutrón libre, puede también ser inducida lanzando otras cosas en un núcleo fisionable. Estas otras cosas pueden incluir protones, otros núcleos, o aún los fotones de gran energía en cantidades muy altas (porciones de rayos gamma).

Muy rara vez, un núcleo fisionable experimentará la fisión nuclear espontánea sin un neutrón entrante.

Cuanto más pesado es un elemento más fácil es inducir su fisión. La fisión en cualquier elemento más pesado que el hierro produce energía, y la fisión en cualquier elemento más liviano que el hierro requiere energía. Lo contrario también es verdad en las reacciones de fusión

nuclear (la fusión de los elementos más livianos que el hierro produce energía y la fusión de los elementos más pesados que el hierro requiere energía).

Los elementos más frecuentemente usados para producir la fisión nuclear son el uranio y el plutonio. El uranio es el elemento natural más pesado; el plutonio experimenta desintegraciones espontáneas y tiene un período de vida limitado. Así pues, aunque otros elementos pueden ser utilizados, estos tienen la mejor combinación de abundancia y facilidad de fisión.

Reacción en cadena

Una reacción en cadena ocurre como sigue: un acontecimiento de fisión empieza lanzando 2 ó 3 neutrones en promedio como subproductos. Estos neutrones se escapan en direcciones al azar y golpean otros núcleos, incitando a estos núcleos a experimentar fisión. Puesto que cada acontecimiento de fisión lanza 2 o más neutrones, y estos neutrones inducen otras fisiones, el proceso se acelera rápidamente y causa la reacción en cadena. El número de neutrones que escapan de una cantidad de uranio depende de su área superficial. Solamente los materiales fisibles son capaces de sostener una reacción en cadena sin una fuente de neutrones externa.

[editar] Masa críticaArtículo principal: Masa crítica

La masa crítica es la mínima cantidad de material requerida para que el material experimente una reacción nuclear en cadena. La masa crítica de un elemento fisionable depende de su densidad y de su forma física (barra larga, cubo, esfera, etc.). Puesto que los neutrones de la fisión se emiten en direcciones al azar, para maximizar las ocasiones de una reacción en cadena, los neutrones deberán viajar tan lejos como sea posible y de esa forma maximizar las posibilidades de que cada neutrón choque con otro núcleo. Así, una esfera es la mejor forma y la peor es probablemente una hoja aplanada, puesto que la mayoría de los neutrones volarían de la superficie de la hoja y no chocarían con otros núcleos.

También es importante la densidad del material. Si el material es gaseoso, es poco probable que los neutrones choquen con otro núcleo porque hay demasiado espacio vacío entre los átomos y un neutrón volaría probablemente entre ellos sin golpear nada. Si el material se pone bajo alta presión, los átomos estarán mucho más cercanos y la probabilidad de una reacción en cadena es mucho más alta. La alta compresión puede ser alcanzada poniendo el material en el centro de una implosión, o lanzando un pedazo de ella contra otro pedazo de ella muy fuertemente (con una carga explosiva, por ejemplo).

Una masa crítica del material que ha comenzado una reacción en cadena se dice que se convierte en supercrítica.

[editar] ModeradoresArtículo principal: Moderador nuclear

Únicamente con juntar mucho uranio en un solo lugar no es suficiente como para comenzar una reacción en cadena. Los neutrones son emitidos por un núcleo en fisión a una velocidad muy elevada. Esto significa que los neutrones escaparán del núcleo antes de que tengan oportunidad de golpear cualquier otro núcleo (debido a un efecto relativista).

Un neutrón de movimiento lento se llama neutrón térmico y solamente esta velocidad del neutrón puede inducir una reacción de fisión. Así pues, tenemos cuatro velocidades de neutrones:

Un neutrón (no-térmico) rápidamente se escapará del material sin interacción;

Un neutrón de velocidad mediana será capturado por el núcleo y transformará el material en un isótopo (pero no induciría la fisión).

Un neutrón de movimiento lento (térmico) inducirá a un núcleo a que experimente la fisión.

Un neutrón móvil realmente lento será capturado o escapará, pero no causará fisión.

Algunos años antes del descubrimiento de la fisión, la manera acostumbrada de retrasar los neutrones era hacerlos pasar a través de un material de peso atómico bajo, tal como un material hidrogenoso. El proceso de retraso o de moderación es simplemente una secuencia de colisiones elásticas entre las partículas de alta velocidad y las partículas prácticamente en reposo. Cuanto más parecidas sean las masas del neutrón y de la partícula golpeada, mayor es la pérdida de energía cinética por el neutrón. Por lo tanto los elementos ligeros son los más eficaces como moderadores de neutrones.

A unos cuantos físicos en los años 30 se les ocurrió la posibilidad de mezclar el uranio con un moderador: si fuesen mezclados correctamente, los neutrones de alta velocidad de la fisión podrían ser retrasados al rebotar en un moderador, con la velocidad correcta, para inducir la fisión en otros átomos de uranio. Las características de un buen moderador son: peso atómico bajo y baja o nula tendencia a absorber los neutrones. Los moderadores posibles son entonces el hidrógeno, helio, litio, berilio, boro y carbono. El litio y el boro absorben los neutrones fácilmente, así que se excluyen. El helio es difícil de utilizar porque es un gas y no forma ningún compuesto. La opción de moderadores estaría entonces entre el hidrógeno, deuterio, el berilio y el carbono. Fueron Enrico Fermi y Leó Szilárd quienes propusieron primero el uso

de grafito (una forma de carbono) como moderador para una reacción en cadena. El deuterio es el mejor tecnológicamente (introducido en el agua pesada), sin embargo el grafito es mucho más económico.

[editar] Efectos de los isótopos

El uranio natural se compone de tres isótopos: 234U (0,006%), 235U (0,7%), y 238U (99,3%). La velocidad requerida para que se produzca un acontecimiento de fisión y no un acontecimiento de captura es diferente para cada isótopo.

El uranio-238 tiende a capturar neutrones de velocidad intermedia, creando 239U, que decae sin fisión a plutonio-239, que sí es fisible. Debido a su capacidad de producir material fisible, a este tipo de materiales se les suele llamar fértiles.

Los neutrones de alta velocidad (52.000 km/s), como los producidos en una reacción de fusión tritio-deuterio, pueden fisionar el uranio-238. Sin embargo los producidos por la fisión del uranio-235, de hasta 28.000 km/s, tienden a rebotar inelásticamete con él, lo cual los desacelera. En un reactor nuclear, el 238U tiende, pues, tanto a desacelerar los neutrones de alta velocidad provenientes de la fisión del uranio-235 como a capturarlos (con la consiguiente transmutación a plutonio-239) cuando su velocidad se modera.

El uranio-235 fisiona con una gama mucho más amplia de velocidades de neutrones que el 238U. Puesto que el uranio-238 afecta a muchos neutrones sin inducir la fisión, tenerlo en la mezcla es contraproducente para promover la fisión. De hecho, la probabilidad de la fisión del 235U con neutrones de velocidad alta puede ser lo suficientemente elevada como para hacer que el uso de un moderador sea innecesario una vez que se haya suprimido el 238U.

Sin embargo, el 235U está presente en el uranio natural en cantidades muy reducidas (una parte por cada 140). La diferencia relativamente pequeña en masa entre los dos isótopos hace, además, que su separación sea difícil. La posibilidad de separar 235U fue descubierta con bastante rapidez en el proyecto Manhattan, lo que tuvo gran importancia para su éxito.

ENERGIA NUCLEAR

Energía Nuclear

La energía nuclear es la energía que se libera en las reacciones nucleares. Sin embargo, también nos referimos a la energía nuclear como el aprovechamiento de dicha energía para otros fines como la obtención de

energía eléctrica, térmica y/o mecánica partir de reacciones nucleares.

En las siguientes páginas describiremos sobre la energía nuclear los siguientes apartados:

¿Qué es la energía nuclear?

La energía nuclear es un proceso físico-químico en el que se libera gran canditad de energía (denominada energía nuclear). Explicaremos el proceso provocado en las reacciones nucleares en las que se obtiene esta energía nuclear.

Analizamos los dos métodos principales de obtención de energía nuclear:

La fisión nuclear La fusión nuclear

 

Ventajas e inconvenientes de la energía nuclear

El uso de la energía nuclear representa tantas ventajas como inconvenientes para el desarrollo de la sociedad y del medio ambiente.

La principal ventaja de la energía nuclear es, sin duda, la capacidad de producir energía eléctrica comparada con otras fuentes de producción de energía eléctica ya sea mediante combustibles fósiles o las energías

renovables.

Pero por otro lado se generan una gran cantidad de residuos nucleares muy peligrosos y difíciles de gestionar.

Más información sobre las ventajas y los inconvenientes del uso de la energía nuclear.

Accidentes relacionados con la energía nuclear

La experiéncia con los accidentes nucleares és una de los principales argumentos para los detractores de la energía nuclear. En el apartado de accidentes nucleares hacemos un breve repaso a los accidentes nucleares de la história de la energía nuclear.

Recientemente hemos añadido en esta seccion una colección de vídeos sobre el accidente de Chernobyl que corresponden a un reportaje de Discobery Channel.

 

Residuos nucleares

Los residuos nucleares són junto a los accidentes nucleares uno de los principales inconvenientes de la energía nuclear. La gestion, transporte y almacenamiento de los residuos nucleares és uno de los principales problemas que los ingenieros nucleares siguen buscando soluciones mas satisfactorias.

Los residuos nucleares no se pueden destruir ni reciclar y aunque existen métodos de alamacenamiento seguros no ofrecen las suficientes garantias para los detractores de la energía nuclear.

Centrales de energía nuclear

Repaso por las diferentes plantas nucleares situadas actualmente en España para la producción de energía nuclear. Se incluyen las centrales nucleares activas las centrales nucleares inactivas y aquellas plantas nucleares afectadas por la moratória nuclear.

En el futuro ampliaremos la información sobre centrales nucleares en otros países como Chile, Estados Unidos o Francia.

LA BOMBA ATÓMICA

Una bomba atómica es un dispositivo que obtiene una enorme cantidad de energía de reacciones nucleares. Su funcionamiento se basa en provocar una reacción nuclear en cadena descontrolada. Se encuentra entre las denominadas armas de destrucción masiva y su explosión produce una distintiva nube en forma de hongo. La bomba atómica fue desarrollada por Estados Unidos durante la II Guerra Mundial, y es el único país que ha hecho uso de ella. (En 1945, contra las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki).

Su procedimiento se basa en la escisión de un núcleo pesado en elementos más ligeros mediante el bombardeo de neutrones que, al impactar en dicho material, provocan una reacción nuclear en cadena. Para que esto suceda hace falta usar núcleos fisibles o fisionables como el uranio-235 o el plutonio-239. Según el mecanismo y el material usado se conocen dos métodos distintos para generar una explosión nuclear: el de la bomba de uranio y el de la de plutonio.

En este caso, a una masa de uranio llamada subcrítica se le añade una cantidad del mismo elemento químico para conseguir una masa crítica que comienza a fisionar por sí misma. Al mismo tiempo se le añaden otros elementos que potencian (le dan más fuerza) la creación de neutrones libres que aceleran la reacción en cadena, provocando la destrucción de un área determinada por la onda de choque desencadenada por la liberación de neutrones.

Bomba de plutonio

El arma de plutonio, es más moderna y tiene un diseño más complicado, se

rodea la masa fisionable de explosivos convencionales como el RDX especialmente diseñados para comprimir el plutonio, de forma que una bola de plutonio del tamaño de una pelota de tenis se convierte casi al instante en el equivalente a una canica, aumentando increíblemente la densidad del material que entra instantáneamente en una reacción en cadena de fisión nuclear descontrolada, provocando la explosión y la destrucción total dentro de un perímetro limitado además de que el perímetro se vuelva altamente radiactivo, deja secuelas graves en el organismo de cualquier ser vivo.

Bomba de hidrógeno o termonuclear

Explosión de la bomba termonuclear "Ivy Mike". Las bombas termonucleares se han convertido en las armas más destructivas de la historia, siendo varias veces más poderosas que las bombas nucleares de Hiroshima y Nagasaki.

Las bombas de hidrógeno lo que realizan es la fusión (no la fisión) de núcleos ligeros (isótopos del hidrógeno) en núcleos más pesados.

La bomba de hidrógeno (bomba H), bomba térmica de fusión o bomba termonuclear se basa en la obtención de la energía desprendida al fusionarse dos núcleos atómicos, en lugar de la fisión de los mismos.

La energía se desprende al fusionarse los núcleos de deuterio (2H) y de tritio (3H), dos isótopos del hidrógeno, para dar un núcleo de helio. La reacción en cadena se propaga por los neutrones de alta energía desprendidos en la reacción.

Para iniciar este tipo de reacción en cadena es necesario un gran aporte de energía, por lo que todas las bombas de fusión contienen un elemento llamado iniciador o primario, que no es sino una bomba de fisión. A los elementos que componen la parte fusionable (deuterio, tritio, etc) se les conoce como secundarios.

La primera bomba de este tipo se hizo estallar en Eniwetok (atolón de las Islas Marshall) el 1 de noviembre de 1952 con marcados efectos en el ecosistema de la región. La temperatura alcanzada en la «zona cero» (lugar de la explosión) fue de más de 15 millones de grados, tan caliente como el núcleo del Sol, por unos cuantos segundos. Literalmente vaporizó dicha isla.

Estrictamente hablando las bombas llamadas termonucleares no son bombas de fusión sino fisión/fusión/fisión, la detonación del artefacto primario de fisión inicia la reacción de fusión como la descrita pero el propósito de la misma no es generar energía sino neutrones de alta velocidad que son usados para fisionar grandes cantidades de material fisible (235U, 239Pu o incluso 238U) que forma parte del artefacto secundario.

En un artefacto termonuclear clásico la aportación del componente de fusión al total de energía liberada no supera el 25% siendo en general mucho menor a esto.

Bombas de neutrones

La bomba de neutrones, también llamada bomba N, bomba de radiación directa incrementada o bomba de radiación forzada, es un arma nuclear derivada de la bomba H que los Estados Unidos comenzaron a desplegar a finales de los años 70. En las bombas H normalmente menos del 25% de la energía liberada se obtiene por fusión nuclear y el otro 75% por fisión. En la bomba de neutrones se consigue hacer bajar el porcentaje de energía obtenida por fisión a menos del 50%, e incluso se ha llegado a hacerlo de cerca del 5%.

En consecuencia se obtiene una bomba que para una determinada magnitud de onda expansiva y pulso térmico produce una proporción de radiaciones ionizantes (radiactividad) hasta 7 veces mayor que las de una bomba H, fundamentalmente rayos X y gamma de alta penetración. En segundo lugar, buena parte de esta radiactividad es de mucha menor duración (menos de 48 horas) de la que se puede esperar de una bomba de fisión.

Las consecuencias prácticas son que al detonar una bomba N se produce poca destrucción de estructuras y edificios, pero mucha afectación y muerte de los seres vivos (tanto personas como animales), incluso aunque estos se encuentren dentro de vehículos o instalaciones blindadas o acorazadas. Por esto se ha incluido a estas bombas en la categoría de armas tácticas, pues permite la continuación de operaciones militares en el área por parte de unidades dotadas de protección (ABQ).

Bombas «sucias»

Se las confunde con bombas nucleares cuando en realidad no tienen nada que

ver unas con otras. Son las «bombas sucias», consistentes en la expansión mediante un explosivo convencional de material radiactivo sobre una área de terreno con el fin de provocar daños a la salud de las personas e impedir la habitabilidad de un territorio, dejando secuelas de este hecho sobre todo aquel ser humano que habite en ese lugar.

Estas armas son más accesibles que las verdaderas armas nucleares por su diseño mucho más sencillo, aunque con un elevado daño potencial para las víctimas que la sufran. Este tipo de artefacto no se puede calificar, sin embargo, como bomba nuclear ya que no hace uso de reacción nuclear alguna. Lo único que tienen en común las bombas sucias y las nucleares es el uso de elementos radiactivos en su dispositivo.

Los proyectiles de uranio empobrecido usados por los ejércitos actuales no tienen la consideración de bombas sucias, pues no tienen efectos radiactivos. Se trata del aprovechamiento del uranio empobrecido resultante de la fabricación de uranio enriquecido para los usos civiles de la energía nuclear. Una de las ventajas que aporta el uranio empobrecido en los proyectiles es su elevada densidad como material (mayor que la del plomo), lo que facilita su poder de penetración. Otra es su carácter incendiario, ya que al superar los 600 °C arde espontáneamente. Esto provoca que al penetrar en el objetivo tras el impacto, el proyectil arda instantáneamente incendiando todo lo que está a su alrededor (por ejemplo la tripulación de un carro de combate y toda su carga explosiva).

Por desgracia, el uso de uranio empobrecido procedente de combustible nuclear reprocesado (y no del sobrante del enriquecimiento de uranio) hace que contenga trazas de plutonio, material altamente radiactivo que puede provocar cáncer y enfermedades severas a los humanos que entren en contacto con él. Los ejércitos que han usado en sus arsenales este material (EE.UU. principalmente) han reconocido la presencia de trazas de plutonio en sus proyectiles a la vez que se han comprometido a tomar medidas para evitar la contaminación radiactiva tras su uso.

Denuncia sobre una tercera bomba nuclear (Irak-1991)

En 2008, el ex militar estadounidense, Jim Brown, ingeniero de cuarto grado que combatió en la Operación Tormenta del Desierto de la primera Guerra del Golfo, acusó a la Administración de EE.UU. de haber lanzado una bomba nuclear de penetración de cinco kilotones de potencia, en una zona situada entre Basora y la frontera con Irán, el 27 de febrero de 1991, último día del conflicto. La cadena pública italiana Rainews24, perteneciente a la RAI, emitió la acusación en un reportaje dirigido por Maurizio Torrealta, tras haber verificado que el Centro Sismológico Internacional registró aquel día, en esa zona, un movimiento sísmico de 4,2 grados en la escala sismológica de

Richter, potencia equivalente a cinco kilotones.[1]] Explosiones nucleares más importantes en la historia

Explosiones nucleares más importantes en la historia

LugarPaís objetivo

Probador o Lanzador de la bomba

Nombre Potencia Año

Alamogordo Estados

Unidos Estados

UnidosTrinity 20KT 1945

Hiroshima  Japón Estados

UnidosLittle Boy 12,5KT 1945

Nagasaki  Japón Estados

UnidosFat Man 20KT 1945

Semipalatinsk Unión

Soviética Unión

SoviéticaRDS-1 22KT 1949

Trimouille  Australia Reino

UnidoHurricane 25KT 1952

Atolón Bikini Estados

Unidos Estados

UnidosCastle Bravo

15MT 1954

Nueva Zembla Unión

Soviética Unión

SoviéticaBomba Tsar

50MT 1961

Lop Nor  China  China 596 22KT 1964

FUSIÓN NUCLEAR

La fusión nuclear es una reacción en la que se unen dos núcleos ligeros para formar uno más pesado. Este proceso desprende energía porque el peso del núcleo pesado es menor que la suma de los pesos de los núcleos más ligeros. Este defecto de masa se transforma en energía, se relaciona mediante la fórmula E=mc2 , aunque el defecto de masa es muy pequeño y la ganancia por átomo es muy pequeña, se ha de tener en cuenta que es una energía muy

concentrada, en un gramo de materia hay millones de átomos, con lo que poca cantidad de combustible da mucha energía.

No todas las reacciones de fusión producen la misma energía, depende siempre de los núcleos que se unen y de lo productos de la reacción. La reacción más fácil de conseguir el la del deuterio (un protón más un neutrón) y tritio (un protón y dos neutrones) para formar helio (dos neutrones y dos protones) y un neutrón, liberando una energía de 17,6 MeV.

Es una fuente de energía prácticamente inagotable, ya que el deuterio se encuentra en el agua de mar y el tritio es fácil de producir a partir del neutrón que escapa de la reacción.  

Tecnología

Esta reacción que se ha descrito antes es la más fácil de conseguir, pero no quiere decir que sea sencillo lograr energía de las reacciones de fusión. Para ello se deben unir los núcleos de dos átomos, el problema radica en que los núcleos de los átomos están cargados positivamente, con lo que al acercarse cada vez se repelen con más fuerza. Una posible solución sería acelerarlos en un acelerador de partículas y hacerlos chocar entre sí pero se gastaría más energía en acelerarlos que la que se obtendría con las reacciones.

Para solucionar este problema se comprimen esferas de combustible mediante haces de láseres o de partículas teniendo así la llamada fusión por confinamiento inercial en la que se obtienen densidades muy elevadas, de manera que los núcleos están muy cercanos entre ellos, y por efecto túnel se fusionan dando energía.

La otra forma de producir reacciones de fusión de manera que se gane energía es calentando el combustible hasta temperaturas de millones de grados de manera que los choques entre núcleos sean por agitación térmica, aquí también se aprovecha el efecto túnel. Como al estar a tan alta temperatura el combustible se disocia en partículas con cargas positivas y negativas, éste se puede controlar mediante campos magnéticos, ésta es la fusión por confinamiento magnético.

 

Ventajas de la fusión

La fusión nuclear es un recurso energético potencial a gran escala, que puede ser muy útil para cubrir el esperado aumento de demanda de energía a nivel mundial, en el próximo siglo. Cuenta con grandes ventajas respecto a otros

tipos de recursos:

Los combustibles primarios son baratos, abundantes, no radioactivos y repartidos geográficamente de manera uniforme (el agua de los lagos y los océanos contiene hidrógeno pesado suficiente para millones de años, al ritmo actual de consumo de energía).Sistema intrínsecamente seguro: el reactor sólo contiene el combustible para los diez segundos siguientes de operación. Además el medio ambiente no sufre ninguna agresión: no hay contaminación atmosférica que provoque la "lluvia ácida" o el "efecto invernadero".La radiactividad de la estructura del reactor, producida por los neutrones emitidos en las reacciones de fusión, puede ser minimizada escogiendo cuidadosamente los materiales, de baja activación. Por tanto, no es preciso almacenar los elementos del reactor durante centenares y millares de años.

 

Estado actual

Actualmente se ha producido energía de fusión nuclear en dos máquinas distintas, el JET (Joint European Torus) de la Unión Europea en Oxfordshire, y el TFTR (Toroidal Fusion Thermonuclear Reactor) en Princeton. Los dos son dispositivos de fusión por confinamiento magnético.

Se ha conseguido sólo en estas máquinas porque son las únicas que han inyectado tritio a un plasma de deuterio. El resto de máquinas funciona con plasmas de sólo deuterio o sólo hidrógeno para investigar en el comportamiento del plasma a altas temperaturas, pero sin producir fusiones.

Se ha demostrado la viabilidad científica de la producción de energía mediante fusión nuclear. El siguiente paso es construir un reactor que demuestre la viabilidad tecnológica para producir energía eléctrica a partir de la de fusión. Este reactor será ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), actualmente en fase de diseño. Para el diseño y construcción de este gran reactor se han asociado las diferentes comunidades de fusión (Rusia, Unión Europea, Japón y USA) ya que el esfuerzo tecnológico y económico no puede ser afrontado por un solo país.

 

Perspectivas de futuro

La investigación en fusión ha entrado en una fase en la cual la producción experimental de una potencia de fusión del orden de un gigavatio es un objetivo realizable. Para progresar en la investigación y desarrollo de reactores comerciales es importante cubrir esta etapa.

La envergadura y el coste de este experimento serán similares a los de cualquier instalación con una potencia de un gigavatio; el calendario para el estudio, construcción y explotación será similar al de cualquier megaproyecto. ITER, la siguiente generación, es una experiencia piloto para Europa y sus socios en el campo de la fusión por confinamiento magnético.

El espíritu comunitario alcanzado por esta investigación en Europa desde hace varias décadas, se ha transmitido al resto del planeta con la esperanza de poder contar en el próximo siglo con la fusión termonuclear como fuente de energía necesaria para la humanidad.

RELACIONES ENTRE MASA Y ENERGIA EN LAS REACCIONES NUCLEARES (tema de investigación)

ELEMENTOS TRANSURÁNICOS

Elementos químicos con un número atómico mayor de 92, que es el correspondiente al uranio. Se han identificado 18 de esos elementos como mínimo. Entre ellos hay más de 100 isótopos, que se caracterizan por su inestabilidad radiactiva (véase Radiactividad). Estos radioisótopos se producen artificialmente bombardeando átomos pesados con neutrones, producidos en reactores nucleares o en explosivos nucleares diseñados especialmente, o con partículas aceleradas, de gran energía, en ciclotrones o aceleradores lineales. Los 11 primeros elementos transuránicos, junto con el actinio, el torio, el protactinio y el uranio, constituyen la serie de los actínidos, químicamente análogos a los lantánidos. Estos elementos son, por orden creciente de número atómico: neptunio, plutonio, americio, curio, berquelio, californio, einstenio, fermio, mendelevio, nobelio y laurencio.

Últimos descubrimientos

Entre 1964 y 1984, científicos de Estados Unidos, Europa y la Unión Soviética anunciaron la producción experimental de seis elementos transuránicos adicionales más allá del laurencio en el sistema periódico, y por tanto más allá de los actínidos. Según se informó, el primero de ellos, el elemento 104, se obtuvo en un ciclotrón de ion pesado en Dubna, cerca de Moscú en 1964, irradiando un blanco de plutonio con iones neón. Un equipo del Lawrence Berkeley Laboratory, dirigido por el científico estadounidense Albert Ghiorso, no pudo reproducir esos resultados, pero en cambio produjo en 1969 el elemento 104 bombardeando californio con átomos de carbono.

El elemento 105 fue obtenido en Dubna en 1968, bombardeando americio con iones neón; el equipo de Ghiorso consiguió un resultado similar en 1970 bombardeando californio con iones nitrógeno. En 1974 el grupo de Dubna produjo el elemento 106 bombardeando isótopos del plomo con un haz de cromo; el equipo estadounidense lo produjo ese mismo año utilizando californio y oxígeno.

La obtención del elemento 107 fue anunciada en 1977 por el equipo de investigación de Dubna, que utilizó un blanco de bismuto y un haz de cromo, pero aún no ha sido confirmada en ningún otro lugar. Los elementos 108 y 109, a diferencia de los otros descubrimientos, fueron sintetizados en Alemania Occidental (ahora parte de la República Federal de Alemania) en 1984 y 1982 respectivamente, por un grupo de investigadores utilizando el acelerador Unilac en Darmstadt.

Durante varios años existió una pugna internacional para nombrar a estos últimos elementos, del 104 al 109, pero finalmente la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC, siglas en inglés) acordó los siguientes nombres: rutherfordio, dubnio, seaborgio, bohrio, hassio y meitnerio (por orden creciente de número atómico). En 1994, un equipo de científicos de la Sociedad de Investigación de Iones Pesados de Darmstadt, Alemania, anunció el descubrimiento de los elementos 110 y 111.

Producción y aplicaciones

La velocidad de desintegración radiactiva de los elementos transuránicos tiende a aumentar con el número atómico; los núcleos transuránicos muy pesados, como el del californio, tienden a la fisión de forma espontánea. Debido a esto, es extremamente difícil fabricar grandes cantidades de elementos más pesados que el plutonio. Este problema está siendo resuelto bombardeando uranio y plutonio con haces muy intensos de neutrones en reactores como el High Flux Isotope Reactor en el Oak Ridge National Laboratory de Tennessee (EEUU). A mediados de la década de 1970 este reactor estaba produciendo varios miligramos por año de berquelio, californio y einstenio, y pequeñas cantidades de fermio. Además, las explosiones nucleares, que liberan grandes flujos de neutrones, pueden ser diseñadas específicamente para aumentar la producción instantánea de elementos pesados como el einstenio y el fermio. En el momento en que se pudiera disponer de cantidades suficientes de elementos pesados, sería posible utilizar isótopos como el plutonio 238 y el curio 244 como fuentes de energía extremamente compactas y seguras, aunque un poco caras, convirtiendo directamente el calor de la desintegración radiactiva en electricidad por medio de mecanismos termoeléctricos. Otros isótopos transuránicos como el americio 241 y el californio 252 tienen usos médicos e industriales.

Elementos transuránicos más pesados

La búsqueda de elementos aún más pesados continúa. Sin embargo, muchos de estos elementos superpesados tendrían una vida media tan corta, que su identificación positiva sería muy difícil. Estudios teóricos sugieren que el elemento hipotético con número atómico 114, y algunos de los elementos cercanos a él, podrían tener disposiciones nucleares comparativamente estables. Para producir estos núcleos, sería preciso acelerar iones mucho más pesados de los que se han acelerado hasta la fecha.

EFECTOS BIOLÓGICOS DE LA RADIACION

NTRODUCCION

El daño biológico producido por las radiaciones ionizantes se conoce desde hace mucho tiempo. El primer caso de lesión ocurrida en seres humanos fue dado a conocer poco después de anunciar Roentgen, en 1895, el descubrimiento de los rayos-X. Ya en 1902, la literatura describió el primer caso de cáncer inducido por los rayos-X.

Cuando discutimos los efectos biológicos producidos por las radiaciones, es importante que reconozcamos ciertos hechos básicos: El efecto biológico observado para un tipo de radiación, puede ser desarrollado por cualquier otro tipo de radiación. Ello es importante por cuanto ldexperiencia obtenida con los rayos~X, ha podido aplicarse a otros tipos de radiación ionizante. La cantidad de energía necesaria para producir marcados efectos en el tejido es extremadamente baja. Así por ejemplo, una dosis letal de radiación (600 R), producirá en el cuerpo humano:

1. Un aumento de temperatura del orden de 0,001`C. 2. La ionización de un sólo átomo por cada 100 millones de átomos.

........... ..........Con excepción de las mutaciones beneficiosas, que son muy contadas, la radiación produce siempre lesión en las células o en los tejidos. No se ha obtenido, hasta ahora, la denominada "dosis estimulante". Los únicos efectos estimulantes observados, bien pueden ser producto de la reacción misma de la lesión o de la destrucción de las substancias inhibidoras, que dan como resultado un crecimiento anormal del tejido no inhibido.

MODELO PARA LA SECUENCIA DE LOS EFECTOS BIOLOGICOS

En exposiciones de corta duración, los efectos biológicos observados

siguen generalmente un modelo de secuencias. En exposiciones prolongadas, estos efectos ocurren en forma simultánea, no siendo observables sus resultados "en algunas oportunidades. La secuencia de eventos posteriores a la exposición, generalmente puede clasificarse así:

Período latente

A continuación del evento inicial de la radiación y antes de que ocurra la primera manifestación detectable, habrá un "tiempo de incubación". Este período, conocido como el período latente, representa simplemente el intervalo de tiempo que transcurre antes de que se pueda detectar el daflo. El período de látencia varía entre amplios límites de tiempo. Los efectos biológicos producidos por la radiación, se dividen de acuerdo al período de latencia en efectos agudos y a largo plazo. Los efectos agudos son aquellos que se manifiestan en cuestión de minutos, días o semanas. Los efectos a largo plazo son aquellos que hacen su aparición después de varios aflos, décadas o generaciones.

En muchas oportunidades puede atribuirse este período de latencia a la interdependencia de las células, tejidos y órganos del cuerpo. A nivel celular, es la consecuencia de la interdependencia de los constituyentes celulares. Por esta razón, la inactivación de las enzimas, desnaturalizacíón de las proteínas esenciales, alteración de las propiedades coloidales o cambios en lw* viscosidad protoplasmática, pueden cada una de ellas o todas, resultar en efectos demostrables....................Una teoría relacionada con el período de latencia sostiene que las células deben recuperarse de la inhibición mitósíca producida por la radiación y que al entrar en mitosis, mueren debido al daño severo producido en sus eromosomas, como resultado de su radiación directa o indirecta. ..................En términos generales, cuanto mayor la dosis, más rápida la aparición de la lesión. En la práctica, exceptuando los accidentes o actos negligentes de importancia, las dosis son pequeñas y el tiempo de latencia puede ser bastante largo (de 25 o más años).

Período de Efectos Demostrables sobre las Células y Tejidos

................Durante o inmediatamente después del "período de latencia", se observan algunos efectos discretos por el examen microscópico de los tejidos o, indirectamente, a través de métodos físicos. Uno de los fenómenos mayormente observados durante el crecimiento del tejido expuesto a las radiaciones, es la cesación de la mitosis o división de las células. Esta cesación puede ser temporal o permanente dependiendo ello de las dosis de radiación recibida. Otros efectos observados son: la ruptura de eromosomas; aglutinación de la cromatina; formación de

células gigantes; otras rnitosis anormales; granulación aumentada del citoplasma; cambios en pigmentación; en alteración en la movilidad y actividad ciliar; citolisis; vacuolización; alteración de la viscosidad del protoplasma; alteración en la permeabilidad de la pared celular................Es probable que éstos representen sólo una parte de los procesos celulares que ocurren, debiéndose señalar que gran número de ellos pueden repetirse individualmente por acción de otros estímulos. La gama completa de efectos mencionados no es reproducible por un solo agente químico. (Es interesante anotar el hecho de que las mostazas nitrogenadas copian en algunos casos, tales efectos.)

Período de Recuperación

...............Subsecuente a la exposición, puede lograrse en cierto modo la recuperación. Este período se manifiesta principalmente en el caso agudo que ocurre en cuestión de días o de semanas, después de realizada la exposición; hay, sin embargo, un daño residual, no recuperable, que se toma como base para los efectos a largo plazo. La curación puede lograrse mediante el reemplazo del tejido dañado o mediante la recuperación de las células lesionadas. La cura por reemplazo es bien conocida, por ser el principal modo de recuperación del tejido lesionado mecánicamente. La cura por recuperación de las células es menos factible, pero se ha demostrado que puede ocurrir. Así por ejemplo, si administramos a un tejido una dosis de 700 roentgens/hora, para conseguir una lesión similar mediante dos dosis administradas en intervalos de 24 horas, necesitaremos sólo 535 roentgens de dosis. Esto significa que en 24 horas, la recuperación compensa el efecto de 370 roentgens (2 X 535R = 1070R). En este caso, el restablecimiento por reemplazo se desecha por lo breve del tiempo.Prácticamente, no hay distinción entre las curas mencionadas, lo que realmente interesa es el resultado neto de la "recuperación".

DETERMINANTES DE LOS EFECTOS BIOLOGICOS

Cantidad Total de Radiación Absorbida

La palabra "dosis" es sinónima de la cantidad de radiación absorbida. Tal como ocurre con la mayoría de los agentes farmacológicos, existe una relación cuantitativa entre la extensión del daño y su dosis. Si llevamos a un gráfico la dosis vs su efecto en los tejidos, la curva resultante puede aparecer con dos formas dif erentes.En la Figura 55a, la curva A ilustra el tipo común de respuesta biológica a la mayoría de agentes físicos y químicos. En esta curva el efecto sólo es mensurable cuando se logra cierta dosis mínima. La curva resultante no es lineal sino más bien tiene la forma de "S"; es muy probable que casi

todos los efectos agudos de radiación sean de esta clase. Sin embargo, conforme se obtengan medios más refinados de medición, la mayoría de ellos caerá dentro de la clase "sín-umbra1".En la Figura 55b, la curva B representa la clase "sin-umbral", que muestra la relación lineal existente entre la dosis y su efecto. Para lograr este resultado, no existen las dosis mínimas; en este caso, cualquier cantidad de dosis produce el mismo efecto sin tener en consideración otra dosificación anterior. Está demostrado que los efectos genéticos producidos por las radiaciones siguen esta clase de curva. Hay considerable evidencia de que tanto el acortamiento del promedio de vida, como el efecto carcinogénico siguen este tipo de curva "sin-unibral".Las implicaciones de estas dos curvas en el establecimiento de límites de exposición máxima permisible son de gran importancia. En el caso de que un agente siga el tipo de curva A, el establecimiento del límite de exposición máxima permisible es sencillo, pues se adopta para dicho límite la dosis máxima a la cual no ocurre efecto alguno. Con un agente que siga el tipo de curva B, lineal, a "sin-umbral" el problema es mucho más complicado por cuanto ya no es posible fijar un valor límite que evite la aparición de efectos ya que tal límite no existe, excepto en cero, es decir, sin exposición alguna.La cantidad total de radiación absorbida en un tejido, es función de muchas variables, entre las que mencionaremos el tipo de radiación, su energía, la substancia a irradiar. En la mayoría de las aplicaciones biológicas, la radiación alfa y beta es completamente absorbida por el tejido, mientras que los rayos-X y ganima lo son en forma parcial. En general, para un tipo dado de radiación, cuanto mayor es su energía, mayor su penetración. Sin embargo, para los diferentes tipos de radiación, puede haber una variación enorme en la profundidad de penetración (por ejemplo: una radiación X de 250 kV es mucho más penetrante que una radiación alfa de 3 MeV) . Generalmente el alcance de una radiación cualquiera, es inversamente proporcional a la densidad del material absorbente.

Velocidad de Absorción

La velocidad con que se administra o absorbe la radiación, es de gran importancia cuando se quiere determinar sus efectos. Puesto que hay un grado considerable de recuperación en los efectos agudos de radiación, una dosis total cualquiera producirá un efecto menor que el agudo, si la damos dividida en subdosis (en lugar de una sola exposición). Sin embargo, en razón de los efectos a largo plazo, probablemente la velocídad de absorción no es importante.Area Expuesta

Ordinariamente, cuando se hace referencia a las dosis al nivel máximo permisible de exposición o a la dosis letal media, suponemos que la dosis es suministrada al cuerpo entero. La denominación "radiación de cuerpo entero" es importante, ya que pueden aplicarse grandes dosis de radiación, en áreas localizadas (como en terapia), con poco peligro para la salud, pero que serían mortales si se aplicaran al cuerpo entero. Asi por ejemplo, una persona puede exponer uno de sus dedos a 1000 R experimentando muy poco efecto su salud, excepto la lesión localizada en el dedo, siguiendo la curación y cicatrización de la misma. Si la misma dosis la hubiéramos suministrado al cuerpo entero, ésta hubiera resultado fatal. Hay evidencia de que los órganos hematopoyéticos (órganos productores de la sangre: bazo, médula ósea, etc.), son los más radiosensibles cuando se irradia al cuerpo entero; la protección de estos órganos disminuirá el efecto producido en el cuerpo entero.

Especies y Variabilidad Individua

Especies diferentes muestran una amplia variación en la respuesta a exposiciones idénticas de radiación. Un ejemplo de esta variación se ve an las dosis letales medias (MLD), obtenidas en animales expuestos a los rayosX de 200 kV; así para ratones es de 500 R; cobayos, 250 R; hombre, 450 R; conejos, 875 R. Existe también una variación considerable en la respuesta dentro de las especies. Así, dos razas dentro de una misma especie, pueden variar en sus respectivas dosis letales medias (MLD), hasta en un 50,%.Esta variación individual no es caracteristica propia de la radiación íonizante. Ocurre en la mayoría de los casos donde se utilizan cualquier tipo de estimulantes fisiológicos (físicos, químicos o biológicos).

Sensibilidad Relativa de Células y Tejidos

Aparentemente la amplia variación entre especies, está asociada con el metabolismo total de la especie individual, ya que sin tener en cuenta la especie comprometida, los cambios histológicos reflejan la dosis con bastante precisión. Por ejemplo, si se dieran a cobayos y conejos 250 R, de rayos-X de 200 kV, serían evidentes los mismos cambios histológicos en los tejidos de ambas especies y aun cuando esta dosis podría matar al 50 % de los cobayos, sólo produciría una enfermedad pasajera en los conejos.La sensibilidad relativa de las distintas células y tejidos es la misma en los diferentes mamíferos que han sido estudiados. Sin embargo, bajo idénticas condiciones de ex posición, los diversos tipos de células y tejidos exhibirán marcadas diferencias en sus respuestas a una misma dosis de radiación. Parece que no todas las células y tejidos son igualmente sensibles o vulnerables a las radiaciones. Existen varias

generalizaciones que nos permiten predecir el grado de radiosensibilidad de un tipo particular de célula o tejido. Las células más activas y que crecen con mayor rapidez, tienden a ser las más radiosensibles en un tejido cualquiera. Los tejidos y células que son menos especializados o menos diferenciados, tienden a ser más vulnerables a la radiación. En general, el núcleo de una célula es más radíosensible que el citoplasma; de aquí que una célula con bastante citoplasma no sea tan afectada como aquella que contiene más material en el núcleo. Observaciones experimentales sustentan estas generalizaciones. Sobre la base de estas generalizaciones, puede aceptarse la siguiente lista de células comunes y/o tejidos, agrupados de acuerdo a un orden decreciente de 'radiosensibilídad:

...............1. El tejido linfático, muy sensible, particularmente los linfocitos

.............. 2. Células rojas jóvenes, halladas en la médula ósea

...............3. Las células que revisten el canal gastrointestinal

...............4. Células de las gónadas; los testículos son más sensibles que los ....................ovarios...............5. Piel, particularmente la porción que rodea el folículo capilar...............6. Células endoteliales vasos sanguíneos y peritoneo...............7. Epitelio del hígado y adrenales...............8. Otros tejidos, íncluidos el hueso, músculo y nervio, en ese orden.

Recalcaremos el hecho de que los tejidos muy jóvenes o en pleno crecimiento, son más sensibles a la radiación, que los tejidos adultos o inactivas. Ello es importante cuando se trata del establecimiento de límites máximos de exposición.

Otros Factores

Además de a los factores ya discutidos anteriormente, existen otros intrínsecos y extrínsecos, que influyen en el efecto de la radiación. Entre ellos mencionaremos el estado de nutrición; tensión de oxígeno; metabolismo. Conforme se vaya haciendo más investigación sobre este particular, se irán descubriendo muchos otros factores.

EFECTOS CLINICAMENTE OBSERVADOS

Efectos Agudos

"Enfermedad de las Radiaciones", es un término empleado para indicar el síntoma complejo que ocurre en pacientes sometidos a terapia por radiaciones. Sus características incluyen náuseas, vómitos, anorexia (pérdida del apetito), pérdida de peso, fiebres y hemorragias intestinales,

siendo generalmente más severas estas manifestaciones, después de haberse irradiado el abdomen."Síndrome agudo de Radiación', es aquel síntoma complejo que ocurre por exposición del cuerpo entero o una gran porción del mismo, a una elevada dosis de radiación, en corto tiempo. Los Anales de Medicina Interna, del mes de febrero de 1952, utilizan toda la revista para ilustrar casos de historias, así como también para detallar cuidadosamente sus estudios en exposiciones accidentales, a dosis elevadas de radiación ocurridas en nueve hombres. Los efectos precoces en dosis agudas de radiación, para el cuerpo entero, pueden resumirse en la Tabla 13 de la siguiente manera:

 

La respuesta sistemática del individuo expuesto a la radiación, se debe:(1) a la expulsión de productos tóxicos, por los tejidos lesionados, y (2) por alteración de la función del órgano debido más directamente a la radiación. En este útimo grupo podemos incluir (a) cese de formación de granulocitos (glóbulos blancos) por la médula ósea, y (b) ruptura de la barrera intestinal, por lesión epitelial.Los factores secundarios de respuesta sistemática a la lesión del órgano, son: invasión bacteriana; deshidratación y desnutrición. Sus resultados son: la destrucción extensiva del tejido a través del cuerpo.Si un individuo se recupera de los efectos agudos de la radiación, varios efectos a largo plazo pueden manifestarse en un tiempo posterior.

Efectos a Largo Plazo

Los efectos a largo plazo, pueden resultar de exposiciones. agudas o prolongadas. Ya que las exposiciones prolongadas son las más comunes en situaciones de paz mundial y como los efectos agudos son raros en estas situaciones, daremos mayor importancia a los efectos a largo plazo.Carcinogénesis. Por alguna razón no comprendida todavía, la exposicíon a las radiaciones aumenta en el hombre la incidencia de ciertos tipos de cáncer. La primera evidencia de esta manifestación fue la aparición de cáncer de la piel en la zona quemada repetidamente por rayos-X, entre los primeros trabajadores en rayos-X. Desde entonces se han demostrado otras conclusiones entre la exposición a las radiaciones y la incidencia de cáncer; entre ellas, tenemos la aparición de tumores óseos en los primeros pintores de esferas de relojes de pulsera, con pinturas radiactivas; la incidencia cada vez mayor de leucemia entre los médicos que usan los rayos-X y entre los japoneses que sobrevivieron el bombardeo de Hiroshima; la mayor incidencia del cáncer de tiroides y leucemia en algunos pacientes tratados terapéuticamente con rayos-X, ete. El mecanismo de esta acción no está muy claro todavía, aun cuando

se han adelantado ciertas hipótesis al respecto. En algunos casos, la repetición del daño producido por la radiación y su pronto restablecimiento, parece estar a favor de unas hipótesis, mientras que la aparición de mutaciones somáticas celulares parecen ser otra hipótesis atrayente. No se ha establecido todavía la existencia de un umbral para esta clase de fenómeno.Acortamiento del Tiempo de Vida. Gran cantidad de estudios en animales han establecido que la exposición a las radiaciones produce una aceleración del proceso de envejecimiento, dando como resultado un acortamiento, no especificado, del tiempo de vida. Este efecto es completamente distinto a la aparición de una enfermedad cualquiera; el animal simplemente envejece más rápidamente y muere antes de tiempo, por causas indistinguibles de las que mueren los animales no irradiados. Evidencias recientes de la literatura sugieren que este efecto puede estar ocurriendo en el hombre Los datos en animales muestran en promedío, un acortamiento del tiempo de vida cercano al 7% por cada 1.000 R. de dosis total de radiacion, sin haberse encontrado algún umbral 'aparente. En contraste a otros efectos de radiación, este fenómeno parece ser cuantitativamente independiente de las especies.Producción de Mutaciones Genéticas. En 1927, Muller informó que la exposición a las radiaciones aumentaba la proporción de mutaciones genéticas en la mosca de la fruta. Su trabajo ha sido confirmado en otras especies. Recientemente los Russell en Oak Ridge han demostrado que este efecto mutagénico, para una dosis dada de radiación, parece ser 10 veces mayor en el ratón que en la mosca de la fruta.Las mutaciones genéticas han aparecido desde que comenzó la vida en este planeta; el proceso de evolución ocurrió a través de las mutaciones genéticas y de la selección natural. Cuando esta úItíma ocurre sin interferencias, las mutaciones no deseadas (que constituyen la mayoría), tienden a desaparecer gradualmente, mientras que las deseables tienden a incrementarse a través del tiempo. Hoy día, sin embargo, en la especie humana la selección natural no esta des arrollándose en forma descontrolada. La civilización ha propendido a la reducción de la selección natural conservando las mutaciones no deseables que ocurran. Actualmente, en el hombre puede resultar un aumento en la proporción de mutaciones genéticas al incrementarse la carga de mutaciones no deseables, reduciéndose de este modo la idoneidad biológica de la especie. Ha quedado bien reconocida la evidencia de que no existe umbral para los efectos genéticos de la radiación. Cualquier dosis de radiación está acompañada de mutaciones y la cantidad producida es proporcional a la dosis. Por eso, en término de efectos genéticos, no hay dosis segura de tolerancia a la radiación.Efectos Embriológicos y del Desarrollo. Estrechamente relacionados con los efectos genéticos, existen ciertos cambios embrioló~ gicos y del desarrollo que ocurren como resultado de una exposición directa del

gameto, cigote u organismo en desarrollo, o de una exposición de la madre grávida sin haber se expuesto directamente al feto.Se ha determinado en numerosas ocasiones, que las dosis terapéuticas de radiación recibídas por una mujer grávida, puede producir la muerte del feto o dar como resultado, el naciemiento de un niño anormal. Trabajos recientes de laboratorio, en animales, indican que puede lograrse una gama de anormalídades que van desde las difícilmente detectables, a Ias evidentes y extensivas. En general, cualquier feto de edad superior al período de gestación de seis semanas, parece ser mucho menos sensible. El grado de anormalidad varía directamente con la dosis y el tiempo de exposición. No se ha establecido todavía en forma definida, la existencia de una dosis umbral, necesaria para lograr estos efectos en el desarrollo.Otros EfectosEfectos en la Fertilidad. La radiación es capaz de reducir la fertilidad, siendo tal reducción dependiente de la dosis. Por eso, podemos observar toda una gama de efectos que van desde la reducción en fertilidad a la esterilidad permanente. En épocas de paz, las dosis recibidas no son tan fuertes como para desarrollar una esterilidad, sea ésta temporal o permanente. Exista o no alguna disminución en la fertilidad, no hay pruebas que la evidencien, toda vez que la reducida tasa actual de natalidad depende también de otros factores ajenos a la fertilidad. Inducción de Cataratas. La irradiación del ojo, resulta en cataratas (opacidad lenticular), que aparece después de una irradiación por rayos-X, gamma o neutrones.

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APLICACIONES DE LA QUIMICA NUCLEAR

Aplicaciones de los Isótopos Radiactivos Medicina

     En medicina la radiación de alta energía emitida por el radio fue utilizada durante mucho tiempo en el tratamiento del cáncer. Actualmente se usa el cobalto-60 para el tratamiento del cáncer porque emite una radiación con más energía que la que emite el radio y es más barato que este. En medicina se usa el tratamiento con cobalto-60 para detener ciertos tipos de cáncer con base en la capacidad que tienen los rayos gamma para destruir tejidos cancerosos. El cobalto-60 se desintegra emitiendo partículas beta y rayos gamma, y tiene una vida media de 5.27 años. Su proceso de desintegración se representa mediante la ecuación química nuclear:

 2760Co   ---->    28

60Ni  +  -10b  +   0

0g .          t1/2 = 5.27 años

     Ciertos tipos de cáncer se pueden tratar internamente con isótopos radiactivos, como el cáncer de tiroides, como el yodo se va a la glándula tiroides, se trata con yoduro de sodio (NaI) que contenga iones de yoduros radiactivos provenientes del yodo-131 o del yodo-123. Allí la radiación destruye a las células cancerosas sin afectar al resto del cuerpo.

     Para detectar desórdenes circulatorios de la sangre se utiliza una solución de cloruro sódico (NaCl) que contenga una pequeña cantidad de sodio radiactivo y midiendo la radiación el médico puede saber si la circulación de la sangre es anormal.

     Para el estudio de los desórdenes cerebrales se utiliza una tomografía de emisión de protones conocida como PET. Se le administra al paciente una dosis de glucosa (C6H12O6) que contenga una pequeña cantidad de carbono-11 (11C), que es radiactivo y emite positrones, luego se hace un barrido del cerebro para detectar los positrones emitidos por la glucosa radiactiva “marcada”. Se establecen las diferencias entre la glucosa inyectada y metabolizada por los cerebros normales y los anormales. Por ejemplo, con la técnica PET se ha encontrado que el cerebro de un esquizofrénico metaboliza alrededor de un 20 % de la glucosa que metaboliza un individuo normal.

 Algunos radioisótopos utilizados en medicina.

Arsénico-74Cobre-64 Radio-226

Astato-211 Estroncio-90 Radón-222Bismuto-206 Europio-152 Sodio-24Boro-10 Arsénico-35 Tantalio-182Boro-11 Fierro-55 Tecnecio-99Bromo-82 Fierro-59 Tulio-170Carbono-14 Fósforo-32 Xenón-133Cerio-144 Itrio-90 Yodo-131Cesio-137 Litio-6 Yodo-132Cromo-51 Litio-7 Oro-198Cobalto-60 Nitrógeno-15  

 Química

     Una de las primeras aplicaciones de los isótopos radiactivos en química fue en el estudio de las velocidades de una reacción reversible para establecer las condiciones de equilibrio. Por ejemplo, para conocer el equilibrio en una solución saturada de cloruro de plomo II (PbCl2). La ecuación química que representa el equilibrio de esta solución es:

PbCl2(S)   ---->  Pb2+(ac)  +  2 Cl1-

(ac)

     Se usa el isótopo radiactivo de plomo-212 para comprobar que los procesos de disolución y de precipitación se producen a la misma velocidad. Se agrega a una solución saturada de cloruro de plomo II una pequeña cantidad de nitrato de plomo II que contenga el isótopo plomo-212. Un tiempo después se precipita plomo, lo que indica que se está produciendo un intercambio entre el cloruro de plomo sólido y el ión plomo +2 de la solución.

      En estudios de química orgánica se usan los isótopos radiactivos como trazadores o rastreadores (por ejemplo, carbono-14)  para conocer los mecanismos de reacciones complejas como las de la fotosíntesis, en la que en varias etapas se van formando moléculas más complejas. Para el estudio de la trayectoria de las reacciones químicas en la fotosíntesis se nutre a la planta con dióxido de carbono (CO2) que contiene carbono-14. Por esto, el químico norteamericano Melvin Calvin (1911-) obtuvo el Premio Nobel de Química en 1961, aclaró una parte del proceso químico de la fotosíntesis y de los productos intermedios que se producen (ciclo de Calvin)

 Datación

     Las mediciones de la radiactividad se usan para determinar la edad de los minerales y de restos fósiles (datación). Por ejemplo, la existencia de núclidos radiactivos naturales sobre la superficie de la Tierra sugiere que sus vidas medias son comparables con las edades de los minerales en los cuales se encuentran, y estos proporcionan una estimación de la edad de la Tierra.

     Como los isótopos radiactivos se usan para determinar el tiempo que hace que se solidificaron las rocas (edad de las rocas) se les conoce como “los relojes naturales”. Por ejemplo, si una roca contenía uranio-238 al solidificarse los productos de la desintegración radiactiva del uranio no pueden escapar por difusión, por lo que quedan retenidos en la roca, y se transforman en plomo-206. Para conocer la vida media (t1/2) de la roca se necesita conocer la reacción química global del proceso y la relación actual entre el plomo-206 y el uranio-238 en la roca, y es:

 92 238U   ---->    82 206Pb  +  8  24He  +  6  -1

0e           t1/2 = 4.5x109 años.

      La reacción de desintegración es de primer orden, por lo que, la ecuación que relaciona la concentración y el tiempo de reacción es: ln C i/Cf = kt o log Ci/Cf = kt/2.3; donde Ci es la concentración inicial de reactivo, Cf es la

concentración final de reactivo, t es el tiempo que tarda en descender la concentración del reactivo inicial y k es la relación de la velocidad de reacción entre la concentración inicial del reactivo y se conoce como la constante de velocidad. La edad de las rocas determinada por este método varía entre 3x109

años  y 4x109 años. El valor más alto se toma como la edad aproximada de la Tierra (cuatro mil quinientos millones de años).

       A mediados del siglo pasado, el químico norteamericano Willard Frank Libby (1908- ) y sus colaboradores desarrollaron un método basado en la desintegración del carbono-14, radiactivo, que sirve para calcular edades entre unos cientos de años hasta 50 000 años. Se ha usado para calcular la edad de reliquias que quedan del hombre prehistórico y para determinar la autenticidad de lienzos de la pintura renacentista.

     El carbono-14 se forma en la atmósfera por la interacción de los átomos de nitrógeno con los neutrones de los rayos cósmicos y la ecuación nuclear que representa dicho proceso es:

 714N  +  0

1n    ---->   6 14C  +  11H

     El carbono-14 formado en esta reacción nuclear se incorpora a la atmósfera como dióxido de carbono (CO2). El dióxido de carbono atmosférico alcanza una concentración estacionaria, que asciende aproximadamente a un átomo de carbono-14 por cada 1012 átomos de carbono-12. Tanto los animales que se alimentan de plantas como una planta viva que absorbe dióxido de carbono de la atmósfera mantienen esta proporción de 14C/12C.

     Cuando muere una planta o un animal se termina la ingestión de carbono radiactivo y en consecuencia, comienza a producirse la desintegración radiactiva del carbono-14 y la relación 14C/12C disminuye.

 6 14C    ---->  714N  +  -1

0e

     Determinando la relación 14C/12C y comparándola con la edad de las plantas vivas, se puede saber el tiempo que hace que murió la planta o el animal

mediante la ecuación cinética: ln Ci/Cf = kt o log Ci/Cf = kt/2.3.

BIBLIOGRAFIA

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Rhodes, Richard. Dark Sun: The Making of the Hydrogen Bomb. Simon and Schuster, New York, 1995

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Carey Sublette's High Energy Weapons Archive is a reliable source of information and has links to other sources: http://nuketesting.enviroweb.org/hew/ or http://gawain.membrane.com/hew/ (Mirror)

The Federation of American Scientists provide solid information on weapons of mass destruction, including nuclear weapons ( http://fas.org/nuke/ )

http://www.oism.org/nwss/ The public-domain text Nuclear War Survival Skills is one of the best sources available on how to survive a nuclear attack.

Preston, Diana (2008). Antes de Hiroshima: de Marie Curie a la bomba atómica. Tusquets Editores. ISBN 978-84-8383-059-8.

UNIDAD II

NOMENCLATURA INORGÁNICA

ÁCIDOS- BASES Y SALES

Los compuestos que se disocian en el agua se denominan sales. Estas pueden disociarse total o parcialmente.

Aquellas sales que al disociarse liberan hidrógenos reciben el nombre de sales ácidas; en cambio, las que liberan hidróxidos se conocen como sales básicas o alcalinas.

- En la naturaleza también existen otras sustancias llamadas ácidos y bases.

Un ácido, cuando se disocia en solución, libera un H+ y un anión, o sea es un

donador de protones (H+).

Una base es un aceptor de protones.

Generalmente, cuando se combina un ácido con una base, el H+ del ácido reacciona con el OH- de la base y se forma una molécula de H2O. El resto del ácido (anión) se combina con lo que queda de la base (catión) y se forma una sal, ejemplo:

 

 

ClH + NaOH --------------------------- H2O + NaCl

ác. clorhidrico + hidróxido de sodio -----------------agua + cloruro de sodio

  A este tipo de ácido y base donde la disolución de ambos es completa se les llama ácidos y bases fuertes (ClH o NaOH). En el caso de que la disociación sea parcial se los llama ácidos o bases débiles, como es el caso del ácido acético (CH3COOH) visto anteriormente.

Cuando una sal, un ácido o una base se disuelven en agua, sus partículas disociadas y cargadas son capaces de conducir una corriente eléctrica. Por eso se las denomina sustancias electrolíticas. Por el contrario, aquellas sustancias que se disuelven en el agua y no forman iones, como los alcoholes y azúcares, no conducen electricidad, y se las conoce como sustancias no electrolíticas.

¿Cómo podemos medir la acidez y la alcanidad en una solución?

El grado en que los compuestos se disocian en solución, puede ser leído con un aparato que mide el número relativo de iones hidrógeno y de los iones hidroxilos que hay respectivamente. Cuantos más iones de este tipo se encuentren, tanto más disociados están los ácidos y bases presentes. El resultado se expresa con un número llamado pH, que se define como el logaritmo del recíproco de la concentración de hidrógenos, es decir el log [1/(H+)]. La escala es logarítmica y va desde 0 hasta 14. Un valor de 7 indica la neutralidad química (fig. 11).

Escala de pH (Fig.11)

Si volvemos al caso de la ionización del agua pura, recordaremos que la concentración de H+ es de 10-7 M. El logaritmo de 1/10-7 es 7; de modo que su pH es 7. A este pH, las concentraciones de los iones H+ y OH- son exactamente iguales 10-7 M. Por debajo de 7, cuanto más bajo es el pH de una solución, más ácida es ésta, ya que contiene más iones H+. Por ejemplo: una solución de pH 6 tiene una concentración de hidrógeno 10 veces mayor que una solución de pH 7. Una de pH 4 representa un incremento del orden de 20, por lo que una solución de pH 4 es 10 x 20 = 200 veces más ácida que una solución de pH 7, conteniendo más H+ que OH-. Por el contrario, por encima de 7, cuanto más elevado es el pH, más alcalina es la solución; por lo tanto, contendrá más iones OH- que H+.

Como hemos dicho antes, el contenido de iones en los organismos vivos es de vital importancia para el funcionamiento celular, pero una concentración inadecuada o excesiva de ellos, puede traer un trastorno físico-químico muy importante, como la disolución de muchas sustancias químicas importantes que conforman las estructuras celulares.

En general, la materia viva presenta un pH muy cercano a la neutralidad. La sangre, por ejemplo, tiene un valor de 7,3. Pero pueden darse también niveles algo extremos en algunos organismos, como ser el de los limones, o también el de los jugos gástricos en el estómago, que alcanzan un valor de 2.

¿Cómo se defienden los organismos vivos de algunos cambios bruscos de pH?

Los organismos vivos no toleran variaciones significativas en el equilibrio normal ácido-base, lo cual obliga a que su pH permanezca dentro de límites bastantes estrechos.

Los excesos de iones H+ y OH- producidos por reacciones metabólicas son neutralizados o absorbidos por sistemas químicos llamados amortiguadores, tampones o buffers.

Cuando uno ingiere una sal de fruta o bicarbonato, para evitar la "acidez estomacal", lo que está haciendo es introducir en el organismo una sustancia tampón. El bicarbonato de sodio (NaHCO3) es un compuesto que se disocia en el agua, dando iones sodio (Na+) y bicarbonato (HCO3

-). El exceso de iones de hidrógeno que hay en el sistema digestivo se une con los iones bicarbonato para formar el ácido carbónico (H2CO3):

NaHCO3 --------------------------------- Na+ + HCO3

-

bicarbonato de sodio-------------------------------- ion sodio + ion bicarbonato

H+ + HCO3 ------------------------------- H2CO3

      ác. Carbónico  

 El ácido carbónico es débil y no se disocia fácilmente. Si embargo, este ácido se descompone en H2O y CO2, siendo este último el "gas" que se libera por burbujeo.

H2CO3 -------------------------------- H2O + CO2 

Sal (química).

En química, una sal es una mezcla químico formado por cationes (iones con carga positiva) enlazados a aniones (iones con carga negativa). Son el producto típico de una reacción química entre una base y un ácido, la base proporciona el catión y el ácido el anión.

La combinación química entre un ácido y un hidróxido (base) o un óxido y un hidronio (ácido) origina una sal más agua, lo que se denomina neutralización.

Un ejemplo es la sal de mesa, denominada en el lenguaje coloquial sal común, sal marina o simplemente sal. Es la sal específica cloruro de sodio. Su fórmula química es Na Cl y es el producto de la base hidróxido sódico(NaOH) y ácido clorhídrico, H Cl .

En general, las sales son compuestos iónicos que forman cristales. Son generalmente solubles en agua, donde se separan los dos iones. Las sales típicas tienen un punto de fusión alto, baja dureza, y baja compresibilidad. Fundidos o disueltos en agua, conducen la electricidad.

Soluciones salinas

Una solución salina, resultado de la reacción de un ácido fuerte con una base fuerte resulta altamente ionizada y, por ello, neutra. La explicación es que los contraiones de los ácidos fuertes y las bases débiles son bastante estables, y por tanto no hidrolizan al agua. Un ejemplo sería el cloruro sódico, el bromuro de litio y otras.

Una solución salina de un ácido fuerte con una base débil es ácida. Esto es así porque, tras disociarse la sal al disolverse, la base débil tiene tendencia a captar OH-, hidróxidos que va a obtener hidrolizando el agua. Finalmente, tenemos un exceso de iones hidronio en disolución que le confieren acidez a la disolución. A más débil la base, más ácida será la disolución resultante. Químicamente:

Una solución salina de un ácido débil con una base fuerte es básica. El mecanismo es el mismo que en caso anterior: el ácido, al ser débil, tenderá a captar un protón, que debe proceder necesariamente de la hidrólisis del agua. Un ejemplo, la disolución en agua del acetato de sodio:que suele ser de lo que usar diariamente en la casa.

Denominaciones

Las sales se denominan de acuerdo con el ácido del que derivan:

Carbonatos son las sales del ácido carbónico. Cloruros son las sales del ácido clorhídrico. Fosfatos son las sales del ácido fosfórico. Nitratos son las sales del ácido nítrico. Nitritos son las sales del ácido nitroso. Sulfatos son las sales del ácido sulfúrico. Citratos son las sales del ácido cítrico. Carboxilatos son las sales de cualquier ácido carboxílico, así, podemos

tener: o Acetatos, sales del ácido acético.o Formiatos, sales del ácido fórmico o metanoico.o Salicilatos, sales del ácido salicílico.o Etcétera.

Clasificaciones

Las Sales se pueden Clasificar en los Siguientes grupos:

Sal hidrácida Sal oxiácida, oxisales u oxosales. Sal ácida Sal doble Sal hidratada

Ácidos y Bases

Introducción

En un principio, los ácidos y las bases se definían de acuerdo con su sabor ,

sus reacciones con los metales , la sensación experimentada al tocarlos o con pruebas .

Los Ácidos y las bases, son dos tipos de compuestos químicos que presentan características opuestas. Su existencia se conoce desde antiguo, cuando su diferenciación se efectuaba por el nada recomendable procedimiento de comprobar su sabor: los ácidos suelen ser agrios mientras que las bases presentan…

Los Ácidos:

Sus disoluciones acuosas tienen sabor ácido y son conductoras. Corroen el metal desprendiendo H2 y enrojecen el Tornasol azul; decoloran la Fenolftaleína, y se vuelven menos ácidos cuando se mezclan con…

Las Bases:

Sus disoluciones acuosas tienen sabor cáustico y tacto jabonoso, además de ser conductoras y resbaladizas. El tornasol vira al azul y enrojecen la Fenolftaleína. Se vuelven menos básicas cuando se mezclan con…

Conceptos Básicos: Teoría, disociación, ionización y PH

En la actualidad, se estudian estos compuestos según el tipo de enlace que presentan al estar en solución acuosa y, dependiendo del tipo de enlace, tendremos entonces una disociación o una ionización.

Antes de dar paso a estudiar las principales Teorías Ácido-Base, es necesario aclarar varios terminar que nos serán de gran utilidad a lo largo del estudio de las mismas, comenzando por definir precisamente lo que es una Teorías.

Teoría: Por el término Teoría entenderemos una serie de las leyes que sirven

para…

Disociación: Una disociación es la separación de los iones de una sustancia con…

Ionización:

Una ionización es la formación de iones de las sustancias con enlace covalente cuando…

PH: La palabra pH es la abreviatura de “pondus Hydrogenium”. Esto significa literalmente el peso del hidrógeno. El pH es un indicador del número de iones de hidrógeno (H+) en una sustancia o solución; dicho de otra manera, es un indicador de…

Principales Teorías Ácido-Base

En la actualidad, se estudian estos compuestos según el tipo de enlace que presentan al estar en solución acuosa y, dependiendo del tipo de enlace, tendremos entonces una disociación o una ionización.

Teoría Ácido-Base según Svante Arrhenius

Svante August Arrhenius

A Arrhenius sugirió que los ácidos son compuestos que contienen hidrógeno y pueden disolverse en el agua para soltar iones de hidrógeno a la solución.

La primera definición moderna de ácidos y bases se debe al químico sueco Svante Arrhenius (1859 – 1927), quien a finales de 1800, propuso que…

 

Teoría ácido-base según  Bronsted – Lowry

El químico británico Thomas Lowry.

Un enfoque más amplio del tema fue dado por el químico danés Bronsted (1879-1956) y por el químico ingles Lowry (1874-1936), quienes definen como:

Ácido: sustancia capas de ceder un.

Par ácido-base conjugado: es aquel cuyos elementos están relacionados entre sí por la transferencia.

 

Teoría ácido- base según Lewis

G.N.  Lewis  expone su teoría ácido- base en 1923, aunque esta se difunde 15 años después. Esta teoría dice que los ácidos y las bases son:

Ácido: es cualquier especie química que puede aceptar un par de…

 

Teoría Ácido Base según Lux-Flood

Gilbert Newton Lewis

Esta definición fue propuesta por el químico alemán Hermann Lux en 1939,

mejorada posteriormente por Håkon Flood alrededor de 1947 y ahora usada comúnmente en geoquímica y electroquímica modernas de sales fundidas en la definición de Brönsted y Lowry se enfatiza el papel del protón como la especie fundamental en las reacciones ácido-base, en la de Lux-Flood (inicialmente propuesta por aquél y desarrollada posteriormente por éste) se describe el…

Medida de las Fuerza de los ácidos y las bases

La fuerza de un ácido se puede medir por su grado de disociación al transferir un protón al agua, produciendo el ion hidronio, H3O+. De igual modo, la fuerza de una base vendrá dada por su grado de aceptación de un protón del agua.

SALES

SALES DE HIDRÁCIDOS

ÁCIDO + HIDRÓXIDO

  ÁCIDO CLORHIDRICO + HIDRÓXIDO DE SODIO = SAL + AGUA HCL + NaOH ________________________________CLNa + H2 O

Cloruro de Sodio + Agua

SALES DE OXOACIDOS

OXOÁCIDO + AGUA

ÁCIDO NITROSO + HIDRÓXIDO DE POTASIO = SAL + AGUA

NO2H + K0H ________________________________NO2K + H2O

Nitrito de Potasio + Agua

ACIDO NITRICO + HIDROXIDO DE POTASIO = SAL + AGUA

HNO3 + KOH__________________________________KNO2 + H2O

Nitrato de Potasio

 

SALES NEUTRAS, ÁCIDAS, BÁSICAS Y MIXTAS.

 

Reacción total de sales: sales neutras

Neutras: todos los átomos de H del ácido son sustituidos por el átomo del metal.

H 2 SO 4+ 2 K(OH) ___________________________K 2 SO 4 + 2 H 2O

Sulfato de Potasio

 

Reacción parcial de sales: sales ácidas

Ácidas: conserva los átomos de hidrógeno

H 2 SO 4+ K(OH) ______________________________ K.H.SO 4+ H 2O

Sulfato ácido de Potasio

Reacción parcial de sales: sales básicas

Básicas: neutralización incompleta de un ácido monoprótico con una base polihidróxica

HCL + Mg(OH) 2_________________________________ Mg.OH.CL + H2 O

Cloruro básico de magnesio

Reacción total de sales: sales neutra

2HCL + MgCL 2 = MgCL 2 + 2H 2 O

Cloruro neutro de magnesio

 

SALES MIXTAS

Resultan de sustituir los hidrógenos de un ácido polipróptico por átomos de diferentes metales

H 2 SO 4 + NaOH + KOH ______________________ NaKSO 4 + 2H 2O

Sulfato de Sodio y de Potasio

 

OTRAS SALES

El nitruro de hidrógeno o amoníaco es un gas, al disolverse en agua forma un compuesto denominado hidróxido de amonio.

El hidróxido de amonio reacciona con los ácidos como los demás hidróxidos, dando sales

a) NH 4OH + HCL _____________________________NH 4CL + H 2O

Cloruro de amonio

b) 2NH 4 OH + H 2 SO 4 = ( NH 4)2 SO 4 + 2H 2O

Sulfato de amonio

c) NH 4OH + HNO 3______________________________NH 4NO 3 + H 2 O

Nitrato de amonio

El radical ( NH 4 + ) o grupo amonio actúa en las sales como los metales monovalentes.

KCL NH 4CL

Cloruro de Potasio Cloruro de amonio

 

 

El radical ( NH 4 + ) es un radical monovalente

K 2 S ( NH 4)2 S

Sulfuro de Potasio Sufuro de amonio

 

 

  Nomenclatura general de las sales

Fórmula Nomenclatura Nro de átomos Numeral de stock

NaCL Cloruro de sodio Cloruro de sodio Cloruro de sodio

AlBr3 Bromuro de aluminio Tribromuro de aluminio Bromuro de aluminio

KNO2 Nitrito de potasio Dioxonitrato de potasio Nitrato(III) de potasio

NaNO3 Nitrato de sodio Trioxonitrato de sodio Nitrato(V) de sodio

CaSO3 Sulfito de calcio Trioxosulfato de calcio Sulfato(IV) de calcio

Na2SO4 Sulfato de sodio Tetraoxosulfato de disodio Silfato(VI) de sodio

Al2(SO4)3 Sulfato de aluminio Tetraoxosulfato de dialuminio Sulfato(VI) de aluminio

LiClO Hipoclorito de litio Monoxoclorato de litio Clorato(I) de litio

Fe(Cl03)3 Clorato férrico Trioxoclorato de hierro Clorato(V) de hierro(III)

(NH4)2SO4 Sulfato de amonio Tetraoxosulfato de diamonio Sulfato(VI) de amonio

K2MnO4  Manganato de potasio Tetraoxomanganato de dipotasio

Manganato(VI) de potasio

NaHSO4 Sufato ácido de sodio Tetraoxosulfato de hidrógeno y sodio

Sulfato(VI) de hidrógeno y sodio

MgClOHCloruro básico de magnesio

Hidroxocloruro de magnesio Hidroxicloruro de magnesio

CuCO3OHCarbonato básico de cobre

Hidroxocarbonato de cobre Hidroxicarbonato de cobre(I)

NaKSO3Sulfito de sodio y de potasio

Trioxosulfato de sodio y de potasio

Sulfato(IV)de sodio y de potasio

Electrolito

Electrolito líquido en un proceso de recubrimiento por electrólisis.

Un electrolito o electrólito es cualquier sustancia que contiene iones libres, los que se comportan como un medio conductor eléctrico. Debido a que generalmente consisten de iones en solución, los electrólitos también son conocidos como soluciones iónicas, pero también son posibles electrolitos fundidos y electrolitos sólidos.

Principios

Comúnmente, los electrolitos existen como soluciones de ácidos, bases o sales. Más aún, algunos gases pueden comportarse como electrolitos bajo condiciones de alta temperatura o baja presión. Las soluciones de electrolitos pueden resultar de la disolución de algunos polímeros biológicos (por ejemplo, ADN, polipéptidos) o sintéticos (por ejemplo, poliestirensulfonato, en cuyo caso se denominan polielectrolito) y contienen múltiples centros cargados. Las soluciones de electrolitos se forman normalmente cuando una sal se coloca en un solvente tal como el agua, y los componentes individuales se disocian debido a las interacciones entre las moléculas del solvente y el soluto, en un proceso denominado solvatación. Por ejemplo, cuando la sal común, NaCl se coloca en agua, sucede la siguiente reacción:

NaCl(s) → Na+ + Cl−

También es posible que las sustancias reaccionen con el agua cuando se les agrega a ella, produciendo iones. Por ejemplo, el dióxido de carbono reacciona con agua para producir una solución que contiene iones hidronio, bicarbonato y carbonato.

En términos simples, el electrólito es un material que se disuelve en agua para producir una solución que conduce una corriente eléctrica.

Las sales fundidas también pueden ser electrólitos. Por ejemplo, cuando el cloruro de sodio se funde, el líquido conduce la electricidad.

Si un electrólito en solución posee una alta proporción del soluto se disocia para formar iones libres, se dice que el electrólito es fuerte; si la mayoría del soluto no se disocia, el electrólito es débil. Las propiedades de los electrólitos pueden ser explotadas usando la electrólisis para extraer los elementos químicos constituyentes.

IMPORTANCIA FISIOLÓGICA

En fisiología, los iones primarios de los electrólitos son sodio (Na+), potasio (K+), calcio (Ca2+), magnesio (Mg2+), cloruro (Cl−), hidrógeno fosfato (HPO4

2−) y bicarbonato (HCO3

−).

Todas las formas de vida superiores requieren un sutil y complejo balance de electrólitos entre el medio intracelular y el extracelular. En particular, el mantenimiento de un gradiente osmótico preciso de electrólitos es importante. Tales gradientes afectan y regulan la hidratación del cuerpo, pH de la sangre y son críticos para las funciones de los nervios y los músculos. Existen varios mecanismos en las especies vivientes para mantener las concentraciones de los diferentes electrólitos bajo un control riguroso.

Tanto el tejido muscular y las neuronas son considerados tejidos eléctricos del cuerpo. Los músculos y las neuronas son activadas por la actividad de electrólitos entre el fluido extracelular o fluido intersticial y el fluido intracelular. Los electrólitos pueden entrar o salir a través de la membrana celular por medio de estructuras proteicas especializadas, incorporadas en la membrana, denominadas canales iónicos. Por ejemplo, las contracciones musculares dependen de la presencia de calcio (Ca2+), sodio (Na+), y potasio (K+). Sin suficientes niveles de estos electrólitos clave, puede suceder debilidad muscular o severas contracciones musculares.

El balance de electrólitos se mantiene por vía oral o, en emergencias, por administración vía intravenosa (IV) de sustancias conteniendo electrólitos, y se regula mediante hormona, generalmente con los riñones eliminando los niveles excesivos. En humanos, la homeostasis de electrólitos está regulada por hormonas como la hormona antidiurética, aldosterona y la paratohormona. Los desequilibrios electrolíticos serios, como la deshidratación y la sobrehidratación pueden conducir a complicaciones cardíacas y neurológicas y, a menos que sean resueltas rápidamente, pueden

resultar en una emergencia médica.

Medición

La medición de los electrólitos es un procedimiento diagnóstico realizado comúnmente, ejecutado vía examen de sangre con electrodos selectivos o urinálisis por tecnólogos médicos. La interpretación de estos valores es algo carente de significado sin la historia clínica y frecuentemente es imposible sin una medición paralela de la función renal. Los electrólitos medidos más frecuentemente son el sodio y el potasio. Los niveles de cloruro se miden rara vez, excepto para la interpretación de gas sanguíneo arterial dado que están vinculados inherentemente a los niveles de sodio. Un test importante llevado a cabo con la orina es el examen de gravedad específica para determinar la existencia de desbalance electrolítico.

Bebidas deportivas

Los electrólitos suelen encontrarse en bebidas deportivas. En terapia de rehidratación oral, las bebidas con electrólitos contienen sales de sodio y potasio restablecen el agua del cuerpo y los niveles de electrólitos después de la deshidratación causada por el ejercicio, diaforesis, diarrea, vómito, intoxicación o hambre.

No es necesario reemplazar las pérdidas de sodio, potasio y otros electrólitos durante el ejercicio, dado que no suele suceder una disminución significativa de las reservas corporales de estos minerales durante el entrenamiento normal. Sin embargo, en condiciones de ejercitación extrema por 5 o más horas (por ejemplo: ironman o ultramaratón), se recomienda el consumo de una bebida deportiva compleja con electrólitos.(-Elizabeth Quinn, entrenador y profesional de la salud) [1]

Los atletas que no consumen electrólitos bajo estas condiciones corren el riesgo de sobrehidratación (o hiponatremia).

Debido a que las bebidas deportivas típicamente contienen niveles muy altos de azúcar, no son recomendados para su uso regular por niños. El agua es considerado la única bebida esencial para los niños durante el ejercicio. Hay disponibles sobres medicinales de rehidratación y bebidas para reemplazar a los electrólitos claves perdidos durante diarrea y otros problemas gastrointestinales. Los dentistas recomiendan que los consumidores regulares de bebidas deportivas tomen precauciones contra la caries dental.

Las bebidas deportivas y electrólicas pueden ser hechas en casa, usando las proporciones correctas de azúcar, sal y agua.[2]

Electroquímica

Cuando se coloca un electrodo en un electrólito y se aplica un voltaje, el electrólito conducirá electricidad. Los electrones solos normalmente no pueden pasar a través del electrólito; en vez de ello, una reacción química sucede en el cátodo, consumiendo los electrones del cátodo, y otra reacción ocurre en el ánodo, produciendo electrones para ser capturados por el ánodo. Como resultado, una nube de carga negativa se desarrolla en el electrólito alrededor del cátodo, y una carga positiva se desarrolla alrededor del ánodo. Los iones en el electrólito se mueven para neutralizar estas cargas para que las reacciones puedan continuar y los electrones puedan seguir fluyendo.

Por ejemplo, en una solución de sal ordinaria (cloruro de sodio, NaCl) en agua, la reacción en el cátodo será:

2H2O + 2e− → 2OH− + H2

con lo que burbujeará gas hidrógeno; la reacción en el ánodo es:

2H2O → O2 + 4H+ + 4e−

con lo que se liberará gas oxígeno. Los iones sodio Na+ positivamente cargados reaccionarán hacia el cátodo, neutralizando la carga negativa del OH− ahí presente, y los iones cloruro Cl− reaccionarán hacia el ánodo neutralizando la carga positiva del H+ de ahí. Sin los iones provenientes del electrólito, las cargas alrededor de los electrodos harían más lento el flujo continuo de electrones; la difusión de H+ y OH− a través del agua hacia el otro electrodo tomaría más tiempo que el movimiento de los iones de sodio más prevalentes.

En otros sistemas, las reacciones de los electrodos pueden involucrar a los metales de los electrodos, así como a los iones del electrólito.

Los conductores electrolíticos pueden ser utilizados en dispositivos electrónicos donde la reacción química en la interfase metal/electrólito produce efectos útiles.

Electrólito seco

Los electrólitos secos son: esencialmente, geles en una estructura molecular cristalina flexible.

No electrolito

Son sustancias que cuando se disuelven en agua se separan en sus moléculas: las moléculas tienen movilidad por estar en disolución acuosa pero son eléctricamente neutras (no tienen carga). Por ejemplo, la sacarosa se separa en moléculas cuando se disuelve en agua. Estos líquidos y disoluciones tienen partículas con movilidad pero sin carga; por lo tanto, no son conductores de electricidad.

 

 

DISOCIACIÓN E IONIZACIÓN DE ELECTROLITOS

1. Definición y ejemplos:

teoría atómica de ARRHENIUS

Dicha teoría expresa que cuando un electrólito se disuelve en agua, se ioniza. La ionización, también llamada disociación electrolítica, consiste en la liberación de los iones preexistentes en el compuesto iónico.

Por ejemplo, si AB representa la fórmula del electrólito, la ionización se expresa con la ecuación:

AB = A- + B+

La terminología creada por ARRHENIUS subsiste:

Anión es el ión cargado negativamente: A-

Catión es el ión cargado positivamente: B+

grado de ionización

En la ionización pueden presentarse dos alternativas:

Hay electrolitos que, disueltos en agua, ionizan casi totalmente. Los iones liberados no se unen y permanecen separados. Esta carácterística se pone en evidencia dibujando la flecha de izquierda a derecha de mayor longitud que la opuesta:

AB = A- + B+

 Otros, por el contrario, se ionizan escasmente. Predomina la asociación de iones sobre la ionización:

XY = X- + Y+

electrólitos: fuertes y débiles;

Los electrólitos se clasifican en fuertes y débiles.

 Un electrólito fuerte está muy ionizado

Un electrólito débil está poco ionizado

En un electrólito fuerte, que está casi totalmente ionizado, quedan pocas moléculas no ionizadas en contacto en sus respectivos iones.

En un electrólito débil, poco ionizado, hay escasos iones en contacto con las moléculas no ionizadas.

Para distinguir electrólitos fuertes de electrólitos débiles se estableción un grado de ionización. Se lo determina con dos datos numéricos:

n, número de moles disueltos, calculado mediante el cociente entre la masa y el mol del soluto: n = m/M,

n i número de moles ionizados, cuando la sustancia se disuelve en agua.

 El grado de ionización a , queda definido por el cociente entre el número de

moles ionizado y el número de moles disuelto.

El grado de ionización es un número comprendido entre 0 y

Muchas veces, para su mejor entendimiento, se lo multiplica por 100, espresándolo como porcentaje.

Siempre se cumple la relación:

Porque si n i = n, la ionización sería total, lo cual nunca ocurre.

Ejemplo:

Si se disuelven 8 moles y se ionizan 7:

Porque si n i = 0 , no hay ionización.

Cuando se disuelven 8 moles y solamente ioniza uno:

En los electrólitos fuertes, el grado de ionización se aproxima a su valor máximo:

 O bien: a à 100 %

En los electrólitos débiles, el grado de ionización es muy bajo; simbólicamente, tiende a cero:

a à 0 %

catión hidronio;

Mecanismo de ionización del agua:

El átomo de oxígeno, fuertemente electronegativo, ocupa el centro de la molécula del agua, angular y polarizada.

Las cargas parciales negativas de una molécula atraen electrostáticamente a las positivas de la otra.

Una fuerza atractiva arranca un catión hidrógeno de una molécula y lo acerca a la otra.

- En el H + hay un orbital 1s vacío, capaz de alojar un par de electrones, aportados por el átomo de oxígeno. Así se constituye un enlace covalente coordinado, engendrado una nueva entidad: el catión hidronio.

El catión hidronio está formado por un catión hidrógeno combinado con una molécula de agua.

H + + H 2 O = H 3 O

  La estructura del catión hidronio se refleja en los diagramas de puntos y de rayas. En el espacio, la molécula de agua queda insertada dentro de un tetraedro imaginario. El catión hidrógeno coordinado se ubica en un vértice. Desde luego, su carga positiva se comunica a toda la agrupación.

propiedades de ácidos y bases;

 • Las soluciones ácidas tienen sabor "ácido", degustable sin riesgos en el vinagre, que contiene ácido acético; el limón, con ácido cítrico y la leche, con ácido láctico

• Las soluciones básicas concentradas son cáusticas: afectan la piel como si la quemaran.

Ácidos y bases actúan sobre los indicadores, virando su coloración.

Muchos ácidos reaccionan con metales comunes:

Fe, Al, Zn, Mg, Sn

 Desprendiéndose hidrógeno gaseoso, inflamable:

H 2 (g)

Tanto los ácidos como las bases son electrólitos: sustancias que cuando se disuelven en agua se ionizan, y, por lo tanto, conducen la corriente eléctrica.

ácidos y bases, según ARRHENIUS;

La teoría iónica de ARRHENIUS define conceptualmente a ácidos y bases:

• Ácido es una sustancia que, disuelta en agua, da cationes de hidrógeno.

Anión + H+

• Base es una sustancia que, disuelta en agua, da aniones de oxhidrilo.

Catión + OH-

ácidos y bases según BRÖNSTED;

De acuerdo con BRÖNSTED, basta considerar un solo elemento, el catión de hidrógeno.

Un ácido suministra cationes de hidrógeno: H +. Una base acepta cationes de hidrógeno: H +.

BRÖNSTED no niega la existencia de los aniones de oxidrilo, pero les quita participación en las definiciones.

¿Por qué el coruro de hidrógeno gaseoso: ClH(g) , disuelto en agua, se transforma en ácido clorhídrico?

El cloruro de hidrógeno es un "ácido de

BRÖNSTED" y cede catión hidrógeno:

Este catión hidrógeno puede ser aceptado

por una molécula de agua, que –cuando

lo coordina- se convierte en catión hidronio:

Las dos ecuaciones pueden sumarse miem-

bro a miembro: el catión hidrógeno produ-

cido en la primera se consume en la segunda:

La misma idea es aplicable a otros ácidos.

H2O = H+ + OH-

NH3(g) + H+ = NH+4

Amoníaco catión amonio

La suma de ambas ecuaciones da:

El anión oxhidrilo, derivado de esta reacción, confiere las propiedades básicas a la solución amoniacal. La asociación del catión amonio con el anión oxhidrilo -invirtiendo la ionización- origina el hidróxido de amonio.

NH+4 + OH- = NH4OH

Hidróxido de

amonio

El agua es anfótera, cuando reacciona con cloruro de hidrógeno acepta cationes de hidrógeno: actúa como una "base de BRÖNSTED" , y cuando reacciona con amoníaco, le cede un catión hidrógeno: es un "ácido de BRÖNSTED"`.

hidrácidos, oxoácidos e hidróxidos;

2. Los hidrácidos

Las propiedades ácidas solamente se manfiestan en soluciones acuosas.

Son los cationes de hidrógeno: H+ - o el hidronio: H3O, si se da participación al agua- y no a la molécula no ionizada, quienes confieren la acidez a la solución:

SH2(g) + 2 H2O = S-2 + 2 H3O +

Consecuentemente:

En una solución ácida hay cationes de hidrógeno, acompañados por sus respectivos aniones.

Los ácidos más simples son los hidrácidos, formados por los compuestos binarios del azufre y los halógenos con el hidrógeno. La nomenclatura diferencia las sustancias gaseosas de sus soluciones ácidas.

Hídrico es la terminación común a todos los nombres de los hidrácidos, cuyos respectivos aniones concluyen en uro.

Compuestos covalentes:Hidrácido   Anión

FH(g) Fluoruro FH(aq) Ácido fluorhídrico F- fluoruro

ClH(g) Cloruro de ClH(aq) Ácido clorhídrico Cl- cloruro

BrH(g) Bromuro hidrógeno BrH(aq) Ácido bromhídrico Br- bromuro

IH(g) Ioduro IH(aq) Ácido iodhídrico I- ioduro

SH2(g) Sulfuro SH2(aq) Ácido sulfhídrico S-2 sulfuro

3. Los oxoácidos

Los oxoácidos son ácidos de composición más complicada. Sus elementos componentes son tres:

 Además, casi siempre, se obtienen por combinación de un óxido ácido con agua.

Todos los oxoácidos disueltos en agua ionizan, dando cationes hidrógeno.

SO3H2 = SO3 –2 + 2H+

Ácido anión

Sulfuroso sulfito

SO4H2 = SO4 –2 + 2H+

Ácido anión

Sulfúrico sufato

De las anteriores ecuaciones de ionización resulta que:

Cuando la molécula del oxoácido ioniza, da un anión y cationes hidrógeno.

La cantidad de cationes hidrógeno es numéricamente igual a la carga iónica del anión.

Los oxoaniones están constituidos por átomo de no-metal, unido por

covalencias –comunes y de coordinación- con átomos de oxígeno. Se necesitan reglas para denominar los oxoaniones: aniones

oxigenados, derivados de los oxoácidos.

4. Nomenclatura de los oxoácidos y sus aniones:

Los nombres de los oxoácidos y sus respectivos aniones se derivan de los óxidos-ácidos y de los números de oxidación del elemento no metálico. Se presentan tres casos principales:

Un solo ácido, con el nombre terminado en ico: CO3H2 = ácido carbónico . (nº ox. IV)

Para el anión el sufijo ico se sustituye por ato:

CO3H2 = CO3 –2 + 2 H+

Ácido anión

Carbónico carbon ato

  SUFIJOS

 Nombre de los oxoácidosNombre de sus respectivos oxoaniones

Hipo ................. oso Hipo .................. ito

................. oso .................. ito

................. ico .................. ato

Per ................. ico Per .................. ato

 

IONIZACIÓN DEL AGUA

 

Equilibrio iónico del agua

El agua pura es un electrolito débil que se disocia en muy baja proporción en sus iones hidronio o hidrógeno H3O+ (también escrito como H+) e hidróxido o hidróxilo OH–.

De todos modos, dos moléculas polares de agua pueden ionizarse debido a las fuerzas de atracción por puentes de hidrógeno que se establecen entre ellas.

Aunque lo haga en baja proporción, esta disociación del agua en iones, llamada ionización, se representa según la siguiente ecuación

La cual, resumiendo un poco queda como

O, más resumida aún, queda como

Al producto de la concentración de iones hidroxonio o hidronio (H3O+) por la concentración de iones hidróxido o hidroxilo (OH−) se le denomina producto iónico del agua y se representa como Kw. Las concentraciones de los iones  H+ y OH–   se expresan en  moles / litro (molaridad).

Este producto tiene un valor constante igual a 10−14 a 25º C, como se grafica en la siguiente ecuación

O, que es lo mismo:

Debido a que en el agua pura por cada ion hidronio (o ion hidrógeno) hay un ion hidróxido (o hidroxilo), la concentración es la misma, por lo que:

De esta expresión se deduce que las concentraciones de hidronios (también llamada de protones) (H+) y de hidroxilos (OH-) son inversamente proporcionales; es decir, para que el valor de la constante de disociación se mantenga como tal, el aumento de una de las concentraciones implica la disminución de la otra.

PSU: Química, Pregunta 12_2005

Ionización del agua y el Ph

El agua no es un líquido químicamente puro, ya que se trata de una solución iónica que siempre contiene algunos iones H3O+ y OH–.

(Ya vimos que se utiliza el símbolo H+, en lugar de H3O+).

También ya mostramos el producto [H+]•[OH-]= 10–14, que se denomina producto iónico del agua. Pues bien, ese valor constituye la base para establecer la escala de pH, que mide la acidez o alcalinidad de una disolución acuosa; es decir, su concentración de iones [H+] o [OH–], respectivamente.

Recapitulemos sobre el pH

Repitamos el concepto: el pH es una medida de la acidez o alcalinidad de una solución. Lo que el pH indica exactamente es la concentración de iones hidronio (o iones hidrógeno) — [H3O+] o solo [H+]— presentes en determinadas sustancias.

La sigla pH significa "potencial de hidrógeno" (pondus Hydrogenii o potentia Hydrogenii; del latín pondus, = peso; potentia,  = potencia; hydrogenium, = hidrógeno). Este término fue acuñado por el químico danés Sorensen, quien lo definió como el logaritmo negativo de base 10 de la actividad de los iones hidrógeno.

Desde entonces, el término "pH" se ha utilizado universalmente por lo práctico que resulta para evitar el manejo de cifras largas y complejas. En disoluciones diluidas, en lugar de utilizar la actividad del ion hidrógeno, se le puede aproximar empleando la concentración molar del ion hidrógeno.

Por ejemplo, una concentración de [H3O+] = 1 × 10–7 M (0,0000001) es simplemente un pH de 7 ya que: pH = –log[10–7] = 7.

El pH típicamente va de 0 a 14 en disolución acuosa, siendo ácidas las disoluciones con pH menores a 7 (el valor del exponente de la concentración es mayor, porque hay más protones en la disolución), y alcalinas las que tienen pH mayores a 7. El pH = 7 indica la neutralidad de la disolución (donde el disolvente es agua).

En la figura  de abajo se señala el pH de algunas soluciones. En general hay que decir que la vida se desarrolla a valores de pH próximos a la neutralidad.

Los organismos vivos no soportan variaciones del pH mayores de unas décimas de unidad y por eso han desarrollado a lo largo de la evolución mecanismos que mantienen el pH constante.

INTRODUCCION AL PH

Para otros usos de este término, véase PH (desambiguación).

El pH es una medida de la acidez o alcalinidad de una solución. El pH indica la concentración de iones hidronio [H3O+] presentes en determinadas sustancias. La sigla significa "potencial de hidrógeno" (pondus Hydrogenii o potentia Hydrogenii; del latín pondus, n. = peso; potentia, f. = potencia; hydrogenium, n. = hidrógeno). Este término fue acuñado por el químico danés Sørensen, quien lo definió como el logaritmo negativo de base 10 de la actividad de los iones hidrógeno. Esto es:

Desde entonces, el término "pH" se ha utilizado universalmente por lo práctico que resulta para evitar el manejo de cifras largas y complejas. En disoluciones diluidas, en lugar de utilizar la actividad del ion hidrógeno, se le puede aproximar empleando la concentración molar del ion hidrógeno.

Por ejemplo, una concentración de [H3O+] = 1 × 10–7 M (0,0000001) es simplemente un pH de 7 ya que: pH = –log[10–7] = 7

El pH típicamente va de 0 a 14 en disolución acuosa, siendo ácidas las disoluciones con pH menores a 7 (el valor del exponente de la concentración es mayor, porque hay más protones en la disolución) , y alcalinas las que tienen pH mayores a 7. El pH = 7 indica la neutralidad de la disolución (donde el disolvente es agua).

Se considera que p es un operador logarítmico sobre la concentración de una solución: p = –log[...] , también se define el pOH, que mide la concentración de iones OH−.

Puesto que el agua está disociada en una pequeña extensión en iones OH– y H3O+, tenemos que:

K(constante)w(water; agua) = [H3O+]·[OH–]=10–14 en donde [H3O+] es la concentración de iones hidronio, [OH−] la de iones hidroxilo, y Kw es una constante conocida como producto iónico del agua, que vale 10−14.

Por lo tanto,

log Kw = log [H3O+] + log [OH–]

–14 = log [H3O+] + log [OH–]

14 = –log [H3O+] – log [OH–]

pH + pOH = 14

Por lo que se puede relacionar directamente el valor del pH con el del pOH.

En disoluciones no acuosas, o fuera de condiciones normales de presión y temperatura, un pH de 7 puede no ser el neutro. El pH al cual la disolución es neutra estará relacionado con la constante de disociación del disolvente en el que se trabaje.

Medida del pH

Dependiendo del pH del suelo la Hortensia (Hydrangea) puede poseer flores rosas o azules. En suelos ácidos (pH < 7) las flores son azules, mientras que en suelos alcalinos (pH > 7) son rosas.[1]

El valor del pH se puede medir de forma precisa mediante un potenciómetro, también conocido como pH-metro, un instrumento que mide la diferencia de potencial entre dos electrodos: un electrodo de referencia (generalmente de plata/cloruro de plata) y un electrodo de vidrio que es sensible al ión de hidrógeno.

También se puede medir de forma aproximada el pH de una disolución empleando indicadores, ácidos o bases débiles que presentan diferente color según el pH. Generalmente se emplea papel indicador, que se trata de papel impregnado de una mezcla de indicadores cualitativos para la determinación del pH. El papel de litmus o papel tornasol es el indicador mejor conocido. Otros indicadores usuales son la fenolftaleína y el naranja de metilo.

A pesar de que muchos potenciómetros tienen escalas con valores que van desde 1 hasta 14, los valores de pH también pueden ser aún menores que 1 o aún mayores que 14. Por ejemplo el ácido de batería de automóviles tiene valores cercanos de pH menores que uno, mientras que el hidróxido de sodio 1 M varía de 13,5 a 14.

Un pH igual a 7 es neutro, menor que 7 es ácido y mayor que 7 es básico a 25 °C. A distintas temperaturas, el valor de pH neutro puede variar debido a la constante de equilibrio del agua (Kw).

La determinación del pH es uno de los procedimientos analíticos más importantes y más usados en ciencias tales como química, bioquímica y la química de suelos. El pH determina muchas características notables de la estructura y actividad de las biomacromoléculas y, por tanto, del comportamiento de células y organismos.

En 1909, el químico danés Sorensen definió el potencial hidrógeno (pH) como el logaritmo negativo de la concentración molar (más exactamente de la actividad molar) de los iones hidrógeno.

pH de algunas sustancias

El pH de la leche es de 6,5 , el pH de la sangre es aproximadamente entre 7,35 y 7,45. El pH de detergentes es de 10,5. El pH del zumo de limón es de 2.

COMO CALCULAR EL Ph

Para hallar el pH de una solución es necesario tener en cuenta lo siguiente:

Si se tiene un ácido se hallará el pH y si se tiene una base el pOH (pH = 14 - pOH)

Si se trata de ácidos o bases fuertes, la concentración de equilibrio es igual a la inicial porque se halla totalmente disociada.

Si se tuviera un ácido o base débil la concentración de equilibrio es:

√(Ci x Ka) o √(Ci x Kb)

Se debe recordar en todos los casos que la concentración debe expresarse en molaridad.

Problemas:

Hallar el pH de las siguientes disoluciones:

a- 2 g de NaOH en 500 ml de solución

Al tratarse de una base fuerte está totalmente disociada, por lo que la concentración inicial es la de equilibrio (OH-). Sin embargo es necesario calcular primero la molaridad por lo que se requiere conocer el peso molar.

PM: 40 g/mol

Moles : 2 g / 40 g/mol = 0,05 moles

Molaridad: 0,05 moles / 0,5 l = 0,1 M

Se calcula el pOH por ser una base, y por ser fuerte directamente:

pOH = -log OH- = - log 0,1 = 1

pH = 14 – 1 = 13

b- Se tienen 5 g de una base débil BOH en 250 ml de disolución. Si el PM = 35 g / mol y Kb = 1.6 . 10-5, hallar el pH.

En todos los casos debe expresarse la concentración como molaridad:

Moles = 1 g / 35 g /mol =0,029

Molaridad = 0,029 moles / 0,25 ml = 0,12 M

Por ser una base débil debe hallarse la concentración de equilibrio de OH- utilizando la constante de basicidad que es dato.

De lo que resulta:

pOH = - log √(012 x 1,6.10-5) = 2,86

pH = 14 – 2,86 = 11,14

NEUTRALIZACIÓN

Una reacción de neutralización es una reacción entre un ácido y una base. Cuando en la reacción participan un ácido fuerte y una base fuerte se obtiene una sal y agua. Mientras que si una de las especies es de naturaleza débil se obtiene su respectiva especie conjugada y agua. Así pues, se puede decir que la neutralización es la combinación de cationes hidrógeno y de iones hidróxido para formar moléculas de agua. Durante este proceso se forma una sal.

Las reacciones de neutralización son generalmente exotérmicas, lo que significa que desprenden energía en forma de calor.

Generalmente la siguiente reacción ocurre:

ácido + base → sal + agua

Este tipo de reacciones son especialmente útiles como técnicas de análisis cuantitativo. En este caso se puede usar una solución indicadora para conocer el punto en el que se ha alcanzado la neutralización completa. Algunos indicadores son la fenolftaleína (si los elementos a neutralizar son ácido clorhídrico e hidróxido de sodio), azul de safranina, el azul de metileno, etc. Existen también métodos electroquímicos para lograr este propósito como el uso de un pHmetro o la conductimétria.

Ejemplos:

REACCIONES DE NEUTRALIZACIÓN

Reacciones de neutralización

· Cuando reacciona un ácido con una base se produce una sal y agua. Esta reacción se denomina neutralización porque el ácido y la base dejan de serlo cuando reaccionan entre sí, pero no significa, necesariamente, que el pH de la disolución resultante sea neutro.

Ácido + Base   ð Sal + Agua

En una volumetría se miden volúmenes haciendo uso de material muy simple: bureta y pipeta. Al ser esta volumetría de neutralización o ácido-base lo que se hace es provocar una reacción ácido-base debiendo determinar el punto de equivalencia, es decir: en que momento el número de equivalentes de ácido añadidos coinciden con el número de equivalentes de base. La determinación de este punto de equivalencia se realiza con un indicador ácido-base apropiado. El indicador elegido debe virar en un intervalo de pH en el que quede incluido el pH de la disolución obtenida cuando se alcanza el punto de equivalencia. El alumno puede calcular, de forma aproximada, el pH de la disolución de acetato de sodio obtenida y decidir qué indicador entre los disponibles en el laboratorio es el adecuado para tal determinación.

La acidez y la basicidad constituyen el conjunto de propiedades características de dos importantes grupos de sustancias químicas: los ácidos y las bases. Las ideas actuales sobre tales conceptos químicos consideran los ácidos como dadores de protones y las bases como aceptoras. Los procesos en los que interviene un ácido interviene también su base conjugada, que es la sustancia que recibe el protón cedido por el ácido. Tales procesos se denominan reacciones ácido-base.

La acidez y la basicidad son dos formas contrapuestas de comportamiento de las sustancias químicas cuyo estudio atrajo siempre la atención de los químicos. En los albores mismos de la ciencia química, Boyle y Lavoisier estudiaron sistemáticamente el comportamiento de las sustancias agrupadas bajo los términos de ácido y álcali (base).

Pero junto con los estudios descriptivos de sus propiedades, el avance de los conocimientos sobre la estructura del átomo y sobre la naturaleza íntima de los procesos químicos aportó nuevas ideas sobre los conceptos de ácido y de base.

En la actualidad, el resultado final de la evolución de esos dos conceptos científicos constituye un importante capítulo de la química general que resulta imprescindible para entender la multitud de procesos químicos que, ya sea en la materia viva, ya sea en la materia inerte, se engloban bajo el nombre de reacciones ácido-base

Por medio de las volumetrías de neutralización determinamos concentraciones de ácidos o de bases midiendo volúmenes equivalentes de bases o de ácidos de concentración conocida.

· Según las cantidades de sustancia (número de moles) relativas de estas sustancias y la estequiometría de la reacción se pueden dar tres situaciones:

a) exceso de ácido: reacciona toda la base con parte del ácido presente y queda un exceso de ácido sin reaccionar: la disolución final será ácida (pH < 7)

b) exceso de base: reacciona todo el ácido con parte de la base presente y queda un exceso de base sin reaccionar: la disolución final será básica (pH > 7)

c) proporción estequiométrica de ácido y base: todo el ácido y toda la base presente reaccionan entre sí, no queda exceso de ninguno de ellos. La neutralización es completa. Se ha alcanzado el punto de equivalencia. El pH de la disolución final dependerá de la sal que se forme, ya que ésta podrá sufrir hidrólisis y por ello el pH en el punto de equivalencia puede ser distinto de siete. Será siete (neutra) si la  sal  formada proviene de ácido fuerte-base fuerte, como el NaCl.

Tengamos en cuenta que:

pH= - log [H+]  ð [H+] = 10-pH ;   [H+] · [OH-]=10-14

Valoraciones ácido - base

· Por medio de una valoración ácido-base se determina la concentración de un ácido en disolución a partir de la concentración conocida de una base, o viceversa, basándose en la reacción de neutralización.

· La valoración se realiza mezclando paulatinamente hasta que se alcanza el punto de equivalencia, momento en el que la reacción de neutralización ha sido completa. En ese momento el número de iones hidronio procedentes del ácido es igual al número de iones hidroxilo procedentes de la base.

· El punto final de la valoración se alcanza cuando se produce el cambio de color del indicador, es decir, cuando el operador que realiza la valoración detecta ese cambio de color

· El indicador adecuado para una determinada volumetría debe elegirse de manera que el punto final esté muy próximo al punto de equivalencia (menor error posible cometido en la valoración); o dicho de otra manera, que el valor del pK in

esté muy próximo al valor del pH en el punto de equivalencia.

· Si el nº de moles de ácido = x· nº moles de base 

(V·M)ácido = x · (V·M)base

dónde x viene determinada por la estequiometría de la reacción (x=1, 2, 3,  ½ , ….)

Curva de valoración de AF-BF

Curva de valoración de BF-AF

Curva de valoración de AD-BF

El pH en el punto de equivalencia de una reacción de neutralización es diferente según la fortaleza del ácido y/o la base que se neutraliza.Los indicadores que indican el punto de equivalencia no son igual de útiles para todas las reacciones.

- Reacciones de neutralización entre ácido fuerte (HCl) y base fuerte Na(OH). El pH en el punto de equivalencia es 7 ya que todos los iones hidronio han sido neutralizados por los iones hidroxilo, para dar H2O

El resto de los iones no reaccionan con el agua ya que:

el Cl- procede de un ácido fuerte (es una base débil frente al agua): no se hidroliza.

el Na+ procede de una base fuerte (es un ácido muy débil frente al agua): no se hidroliza.

- Cuando la neutralización se produce entre un ácido fuerte y una base débil. El catión de la base sufre una hidrólisis produciéndose iones hidronio, por lo que el pH es < 7.

- Cuando la neutralización se produce entre una base fuerte y un ácido débil. El anión del ácido sufre una hidrólisis produciéndose iones hidróxido, por lo que el pH es > 7.

- Cuando la neutralización se produce entre una base débil y un ácido débil. El anión del ácido sufre una hidrólisis al igual que el catión de la base, por lo que el pH es < 7 si es más débil la base y es >7 si es más débil el ácido.

La elección del indicador adecuado para determinar el punto de equivalencia dependerá del pH final, que tiene que estar dentro del intervalo en el que el indicador sufre el cambio de color.

Indicadores ácido-base.

· Los indicadores ácido-base son sustancias (vegetales o sintéticas) que cambian de color en función del pH.· Los indicadores están formados por moléculas complejas que representamos por la fórmula general HIn.· Cuando se disuelven unas gotas de indicador en agua se establece el siguiente equilibrio: HIn +  H2O  D  In- + H3O+ la forma ácida (forma molecular = HIn) tiene un color (A) y la forma básica (forma iónica = In-) tiene otro color (B)· El intervalo de viraje o rango del pH en que se produce el cambio de color entre las formas ácida y básica, depende de cada indicador y es aproximadamente de dos unidades de pH, como máximo (en función de la diferencia visual entre los colores A y B), centrado alrededor de su  pKa ð pH = pKa ± 1 · Un indicador es tanto más útil cuanto menor es su intervalo de viraje y más claro se vea el cambio de color. · Los indicadores se utilizan en el laboratorio para determinar el pH de las disoluciones y el punto final de las valoraciones ácido-base.Veamos el intervalo de viraje de varios indicadores

 Indicador Color a pH inferior Intervalo de viraje1. Naranja de metilo rojo 3,1 – 4,42. Azul de bromotimol amarillo 6,0 – 7,63. Fenolftaleína incoloro 8,3 – 10,04. Rojo de metilo rojo 4-6

Si el pH está dentro del intervalo de viraje, aparecerá una mezcla de ambos colores.

 

 

 

ECUACIONES IÓNICAS

Ecuaciones iónicas y ecuaciones moleculares. Iones espectadores

Las ecuaciones de las reacciones químicas suelen estar escritas utilizando las fórmulas completas de las moléculas que intervienen en ella. Se llaman por ello ecuaciones moleculares, por ejemplo en la reacción de precipitación del nitrato de plomo (II) con ioduro potásico para producir plomo sólido tiene la siguiente

Ecuación molecular :

Donde indica que la reacción tiene lugar en solución acuosa y que es una sustancia sólida.

De hecho, el nitrato de plomo, el ioduro potásico y el nitrato potásico son electrolitos fuertes que se disuelven en agua para producir soluciones de iones. Así es más preciso escribir la reacción como una ecuación iónica, en la cual todos los iones que interviene en la misma son mostrados explícitamente

Ecuación iónica:

Mirándo detenidamente la ecuación anterior se descubre que los iones nitrate y potasio no sufren ningún cambio durante la reacción. Ellos aparecen a

ambos lados de la flecha que marca la reacción actuando así meramente como iónes espectadores, cuyo parpel es solo balancear la carga eléctrica. Así la reacción real cuando es despojada de todo lo no relevante y expresa solo lo esencial se puede describir todavía más sucintamente escribiendo una ecuación

iónica neta, en la cual se muestran solo los iones que sufren los cambios, si eliminamos los iones espectadores la ecuación anterior nos quedaría como:

Al dejar fuera a los iones espectadores de la ecuación iónica neta, no implica que su presencia sea irrelevante. Ciertamente si en una reacción ocurre por mezcla de una solución de iones con una solución de iones , entonces estas disoluciones deben también contener iones adicionales para balancear la carga de cada uno: la solución de debe contener un anión, la solución de debe contener un catión adicional . Al dejar fuera los iones de la reacción iónica neta solamente implica que la identidad específica de los iones espectadores no es importante, cualquiera de los iones que no fueran reactivos podría cumplir el mismo papel.

Otro ejemplo:

En una reacción de oxidación-reducción tendríamos que la ecuación molecular estequiométricamente ajustada

Le corresponde una ecuación iónica neta:

Los iones y los iones sulfato dson los iones espectadores de esta reacción redox.

UNIDAD TRES

EQUILIBRIO QUÍMICO Y VELOCIDAD DE UNA REACCIÓN: DEFINICIÓN Y FACTORES QUE LOS ALTERAN

REACCIONES REVERSIBLES

Las especies reaccionan para producir los productos. Sin embargo, los productos pueden también reaccionar para producir la especie original. Esto se conoce como reversibilidad de la reacción .

Para las reacciones reversibles, las reacciones directa y reversa están ocurriendo constantemente. Si está ocurriendo una reacción más que la otra, entonces la reacción neta está en la dirección de esa reacción. Todas las reacciones

reversibles alcanzan una punta donde las reacciones directa y reversas ocurren a la misma tasa. Este punto se llama equilibrio dinámico .

Todas las reacciones son escencialmente reversible, pero algunas permanecen en un extremo (solamente los reactivo o los productos parecen estar presentes) que pareciera que la reaccion se ha efectuado completamente en una dirección solamente. Por ejemplo, la reacción de

HCl (ac) + H 2O(l) Cl - (ac) + H 3 O + (ac)

favorece a los productos tanto, que la concentración de las moléculas de HCl en la solución es esencialmente insignificante.

Si en el equilibrio hay cantidades significativas de producto y de reactivo, entonces la reacción se puede describir en términos de un valorde K, o constante de equilibrio. Para cualquier reacción:

aA + bB +...  rR + sS +...,

se define la K como:

donde K es una constante  para la reacción a temperatura constante. K no tiene unidades.

PUNTO DE ÉNFASIS: Las concentraciones en el equilibrio se combinan siempre de la manera anterior para producir el valor de K, sin importar las concentraciones iniciales de especies.

Un punto importante sobre la formación de la expresión de la constante de equilibrio es que solamente las sustancias acuosas y gaseosas están incluidas en la expresión. Se excluyen los sólidos y los líquidos puros . Intuitivamente, esto tiene sentido porque la " concentración " de un sólido o de un líquido puro es definida por su densidad, y es por lo tanto es una constante a una temperatura y una presión dadas. Para los insatisfechos con esto, una explicación más científica se da en la sección siguiente.  

Ácidos y bases como reacciones del equilibrioLos ácidos y las bases son una subdivisión importante de las reacciones del equilibrio. La disociación de ácidos y de la base fuertes con la reacción con agua se asume completa.

Sin embargo, la mayoría de ácidos son débiles y solamente una fracción del ácido débil presente en la solución acuosa reacciona realmente con agua. La mayoría del ácido permanece en su estado inicial sin disociar, y la mezcla que resulta de reactivo y de productos se puede describir matemáticamente.

Para los ácidos, una constante de equilibrio especial para la reacción de cada ácido con agua se define como K a , o constante ácida de la disociación . El valor de  Ka  es una medida de la cantidad de disociación del ácido. Cuando la Ka aumenta, tambien lo hara la cantidad de disociación.

Ejemplos deKavalores

Ácido Fórmula Constante ácida de la disociación, K a

ácido sulfúrico H2SO4 muy grande (ácido fuerte)

ácido pirofosforico H4P2O7 3,0 x 10 -2

ácido fluorhídrico HF 6,6 x 10 -4

ácido acético HC2H3O2 1,8 x 10 -5

ácido carbónico H2CO3 4,4 x 10 -7

ácido arsenico H3AsO3 6,6 x 10 -10 (ácido muy débil)

La K a  para cualquier solución ácida en equilibrio:

HX (ac)  H + (ac) + X - (ac)

se define como:

donde X - está la base conjugada del ácido.

Se pudo haber notado que algunos de los equilibrios de la ácido-base en esta pagina se han escrito como

HX (ac) + H 2 O (l)  X - (ac) + H 3 O + (ac)

y se han escrito esos otros como

HX (ac)  X - (ac) + H + (ac) .

La exclusión de sólidos y de líquidos puros de expresiones de constantes de equilibrio tales como K a es especialmente importante aquí porque hace las expresiones del equilibrio para estas dos reacciones la misma, pues se considera H + y H3O+ iguales. Así, cualquier forma de la ecuación del equilibrio de la ácido-base puede ser utilizada.    

Valores ácidos de disociación y Tablas C.I.E.

Objetivo 4

Describir matemáticamente las concentraciones del equilibrio de sistemas usando las tablas de I.C.E..

Como K a es una constante, es útil para calcular las características de la solución del equilibrio, tales como pH y porcentaje  de disociación.

Un método útil de manejo de equilibrios químicos implica separar  el equilibrio en 2 pasos,uno inicial y otro en el  equilibrios, y esta idea implica el uso de las concentraciones  inicial y su cambio en el Equilibro o Tabla de C.I.E..

Las concentraciones iniciales se escriben en el tabla de C.I.E. asumiendo que el ácido no se ha disociado, por lo tanto no se produce ningun ion de hidronio o de su base conjugada. Por ejemplo, en una solución de los 0.10M de H 2 S , un ácido débil, la disociación del de H 2 S produce iones de H + y HS -   reduciendo la cantidad de moléculas de H2S en la solución. La concentración inicial de H 2

S sería los 0.10M, y las concentraciones iniciales de H+ y HS- serían 0 al inicio..

H 2 S (ac)  H +(ac) + HS - (ac)

H 2 S H + HS -

INICIAL  0.10M 0 0

CAMBIO

EQUILIBRIO

Para alcanzar equilibrio, algunas moléculas de H 2 S disocian para producir iones H + y HS - . Por cada molécula de H 2 S  se  disocia, uno de H + y uno de HS - . En términos algebraicos, si x moles H + han formado (+x),moles de x de HS - también se han formado (+x) y x moles dede H 2 S han disociado (- x).

H 2 S H + HS -

INICIAL Los 0.10M 0 0

CAMBIO - xM +xM +xM

EQUILIBRIO

La concentración del equilibrio de cada especie es una suma de la concentración inicial y del cambio en la concentración:

H 2 S H + HS -

INICIAL Los 0.10M 0 0

CAMBIO - xM +xM +xM

EQUILIBRIO (los 0.10-x)M xM xM

Los molaridades dadas (de la especie originalmente en la solución) reaccionan en agua para producir más especie de la concentración desconocida. Así la tabla deC. I.E. es un método útil de calcular los molaridades reales de cada especie presente en la solución en el equilibrio. Como  la K de un ácido es constante, estos valores se pueden substituir en la expresión de equilibrio y el obtener el dato desconocido.

VELOCIDAD DE REACCION

La velocidad de reacción para un reactivo en una reaccion quimica en particular está definida intuitivamente como cuán rápido sucede una reacción. Por ejemplo, la oxidación del hierro bajo condiciones atmosféricas es una reacción lenta que puede tomar muchos años,[1] pero la combustión del butano en un fuego es una reacción que sucede en fracciones de segundo.

La cinética química es la parte de la fisicoquímica que estudia las velocidades de reacción, la dinámica química estudia los orígenes de las diferentes velocidades de las reacciones. El concepto de cinética química se aplica en muchas disciplinas, tales como la ingeniería química, enzimología e ingeniería ambiental.

Factores que afectan la velocidad de reacción

Naturaleza de la reacción: Algunas reacciones son, por su propia naturaleza, más rápidas que otras. El número de especies reaccionantes, su estado físico las partículas que forman sólidos se mueven más lentamente que las de gases o de las que están en solución, la complejidad de la reacción, y otros factores pueden influir enormemente en la velocidad de una reacción.

Concentración: La velocidad de reacción aumenta con la concentración, como está descrito por la ley de velocidad y explicada por la teoría de colisiones. Al incrementarse la concentración de reactante, la frecuencia de colisión también se incrementa.

Presión: La velocidad de las reacciones gaseosas se incrementa muy significativamente con la presión, que es, en efecto, equivalente a incrementar la concentración del gas. Para las reacciones en fase condensada, la dependencia en la presión es débil, y sólo se hace importante cuando la presión es muy alta.

Orden: El orden de la reacción controla cómo afecta la concentración (o presión) a la velocidad de reacción.

Temperatura: Generalmente, al llevar a cabo una reacción a una temperatura más alta provee más energía al sistema, por lo que se incrementa la velocidad de reacción al ocasionar que haya más colisiones entre partículas, como lo explica la teoría de colisiones. Sin embargo, la principal razón porque un aumento de temperatura aumenta la velocidad de reacción es que hay un mayor número de partículas en colisión que tienen la energía de activación necesaria para que suceda la reacción, resultando en más colisiones exitosas. La influencia de la temperatura está descrita por la ecuación de Arrhenius. Como una regla de cajón, las velocidades de reacción para muchas reacciones se duplican por cada aumento de 10 ° C en la temperatura,[3] aunque el efecto de la temperatura puede ser mucho mayor o mucho menor que esto. Por ejemplo, el carbón arde en un lugar en presencia de oxígeno, pero no lo hace cuando es almacenado a temperatura ambiente. La reacción es espontánea a temperaturas altas y bajas, pero a temperatura ambiente la velocidad de reacción es tan baja que es despreciable. El aumento de temperatura, que puede ser creado por una cerilla, permite que la reacción inicie y se caliente a sí misma, debido a que es exotérmica. Esto es válido para muchos otros combustibles, como el metano, butano, hidrógeno, etc.

La velocidad de reacción puede ser independiente de la temperatura (no-Arrhenius) o disminuir con el aumento de la temperatura (anti-Arrhenius). Las

reacciones sin una barrera de activación (por ejemplo, algunas reacciones de radicales) tienden a tener una dependencia de la temperatura de tipo anti Arrhenius: la constante de velocidad disminuye al aumentar la temperatura.

Solvente: Muchas reacciones tienen lugar en solución, y las propiedades del solvente afectan la velocidad de reacción. La fuerza iónica también tiene efecto en la velocidad de reacción.

Radiación electromagnética e intensidad de luz: La radiación electromagnética es una forma de energía. Como tal, puede aumentar la velocidad o incluso hacer que la reacción sea espontánea, al proveer de más energía a las partículas de los reactantes. Esta energía es almacenada, en una forma u otra, en las partículas reactantes (puede romper enlaces, promover moléculas a estados excitados electrónicos o vibracionales, etc), creando especies intermediarias que reaccionan fácilmente. Al aumentar la intensidad de la luz, las partículas absorben más energía, por lo que la velocidad de reacción aumenta. Por ejemplo, cuando el metano reacciona con cloro gaseoso en la oscuridad, la velocidad de reacción es muy lenta. Puede ser acelerada cuando la mezcla es irradiada bajo luz difusa. En luz solar brillante, la reacción es explosiva.

Un catalizador: La presencia de un catalizador incrementa la velocidad de reacción (tanto de las reacciones directa e inversa) al proveer de una trayectoria alternativa con una menor energía de activación. Por ejemplo, el platino cataliza la combustión del hidrógeno con el oxígeno a temperatura ambiente.

Isótopos: El efecto isotópico cinético consiste en una velocidad de reacción diferente para la misma molécula si tiene isótopos diferentes, generalmente isótopos de hidrógeno, debido a la diferencia de masa entre el hidrógeno y el deuterio.

Superficie de contacto: En reacciones en superficies, que se dan por ejemplo durante catálisis heterogénea, la velocidad de reacción aumenta cuando el área de la superficie de contacto aumenta. Esto es debido al hecho de que más partículas del sólido están expuestas y pueden ser alcanzadas por moléculas reactantes.

Mezclado: El mezclado puede tener un efecto fuerte en la velocidad de reacción para las reacciones en fase homogénea y heterogénea..

Todos los factores que afectan una velocidad de reacción, excepto para la concentración y el orden de reacción, son tomados en cuenta en la ecuación de velocidad de la reacción.

EQUILIBRIO QUÍMICO

En un proceso químico, el equilibrio químico es el estado en el que las actividades químicas o las concentraciones de los reactivos y los productos no tienen ningún cambio neto en el tiempo.

Normalmente, este sería el estado que se produce cuando el proceso químico evoluciona hacia adelante en la misma proporción que su reacción inversa. La velocidad de reacción de las reacciones directa e inversa por lo general no son cero, pero, si ambas son iguales, no hay cambios netos en cualquiera de las concentraciones de los reactivos o productos. Este proceso se denomina equilibrio dinámico.[

INTRODUCCION

En una reacción química, cuando los reactivos se mezclan en un recipiente de reacción (y con calefacción, si es necesario), la totalidad de los reactivos no se convierten en los productos. Después de un tiempo (que puede ser inferior a millonésimas de un segundo o mayor que la edad del universo), las reacciones opuestas, pueden alcanzar iguales velocidades de reacción, creando un equilibrio dinámico en el que la relación entre los reactivos y productos será fija. Esto se llama equilibrio químico.

El concepto de equilibrio químico fue desarrollado después de que Berthollet (1803) encontrase que algunas reacciones químicas son reversibles. Para que una reacción, tal como

pueda estar en equilibrio, las velocidades de reacción directa e inversa tienen que ser iguales. En esta ecuación química, con flechas apuntando en ambas direcciones para indicar el equilibrio, A y B son las especies químicas que reaccionan S y T son las especies productos, y α, β, σ y τ son los coeficientes estequiométricos de los reactivos y los productos. La posición de equilibrio de la reacción se dice que está muy desplazada a la derecha, si, en el equilibrio, casi todos los reactivos se ha utilizado y a la izquierda si solamente se forma algo de producto a partir de los reactivos.

Guldberg y Waage (1865), basándose en las ideas de Berthollet, propusieron la ley de acción de masas:

donde A, B, S y T son masas activas y k+ and k− son las constantes de velocidad. Cuando las velocidades de la reacción directa e inversa son iguales:

y la relación entre las constantes de velocidad es también una constante, conocida ahora como constante de equilibrio.

Por convenio, los productos constituyen el numerador. Sin embargo, la ley de acción de masas es válida sólo para reacciones que transcurren en una etapa que proceden a través de un estado de transición único y no es válido, en general, porque las ecuaciones de velocidad siguen, por lo general, la estequiometría de la reacción como Guldberg y Waage propusieron (véase, por ejemplo, la sustitución nucleofílica alifática por SN1 o la reacción del hidrógeno y del bromo para formar bromuro de hidrógeno). La igualdad de las velocidades de la reacción directa y de la inversa, es una condición necesaria para el equilibrio químico, aunque no es suficiente para explicar por qué se produce el equilibrio. A pesar del fracaso de esta derivación, la constante de equilibrio para una reacción es de hecho una constante, independiente de las actividades de las distintas especies involucradas, aunque no depende de la temperatura como se aprecia por la ecuación de van't Hoff. La adición de un catalizador afecta de la misma forma tanto a la reacción directa como a la reacción inversa y no tendrá un efecto sobre la constante de equilibrio. El catalizador acelera la velocidad de ambas reacciones con lo que aumenta la velocidad a la que se alcanza el equilibrio.[3] [4]

Aunque las concentraciones de equilibrio macroscópico son constantes en el tiempo las reacciones se producen en el nivel molecular. Por ejemplo, en el caso de ácido acético disuelto en el agua y la formación de acetato e iones hidronio,

un protón puede saltar de una molécula de ácido acético a una molécula de agua y luego a un ion acetato para formar otra molécula de ácido acético y dejando el número de moléculas de ácido acético sin cambios. Este es un ejemplo de equilibrio dinámico. Los equilibrios, como el resto de la termodinámica, son fenómenos estadísticos, los promedios del comportamiento microscópico.

El Principio de Le Châtelier (1884) es un útil principio que da una idea cualitativa de la respuesta de un sistema de equilibrio ante cambios en las condiciones de reacción. Si un equilibrio dinámico es perturbado por cambiar las condiciones, la posición de equilibrio se traslada para contrarrestar el cambio. Por ejemplo, al añadir más S desde el exterior, se producirá un exceso de productos, y el sistema tratará de contrarrestar este cambio aumentando la reacción inversa y empujando el punto de equilibrio hacia atrás (aunque la constante de equilibrio continuará siendo la misma).

Si un se agrega un ácido mineral a la mezcla de ácido acético, el aumento de la concentración del ion hidronio, la disociación debe disminuir a medida que la reacción se desplaza hacia a la izquierda, de conformidad con este principio. Esto también se puede deducir de la expresión de la constante de equilibrio para la reacción:

si {H3O+} aumenta {CH3CO2H} debe aumentar y {CH3CO2−} debe disminuir.

El H2O se queda fuera ya que es un líquido puro y su concentración no está definida.

Una versión cuantitativa viene dada por el cociente de reacción.

J.W. Gibbs sugirió en 1873 que el equilibrio se alcanza cuando la energía de Gibbs del sistema está en su valor mínimo (suponiendo que la reacción se lleva a cabo a presión constante). Lo que esto significa es que la derivada de la energía de Gibbs con respecto a la coordenada de reacción (una medida de la extensión en que se ha producido la reacción, que van desde cero para todos los reactivos a un máximo para todos los productos) se desvanece, señalando un punto estacionario. Esta derivada se suele llamar, por ciertas razones técnicas, el cambio de energía de Gibbs.[5] Este criterio es a la vez necesario y suficiente. Si una mezcla no está en equilibrio, la liberación de la energía de Gibbs en exceso (o la energía de Helmholtz en las reacciones a volumen constante) es el "motor" que cambia la composición de la mezcla hasta que se alcanza el equilibrio. La constante de equilibrio se puede relacionar con el cambio de la energía libre de Gibbs estándar de la energía para la reacción por medio de la ecuación:

donde R es la constante universal de los gases y T la temperatura.

Cuando los reactivos están disueltos en un medio de de alta fuerza iónica el cociente de los coeficientes de actividad se puede tomar como una constante. En este caso, el cociente de concentraciones es, Kc,

donde [A] es la concentración de A, etc, es independiente de la concentración analítica de los reactivos. Por esta razón, las constantes de equilibrio para las soluciones suelen determinarse en medios de fuerza iónica de alta. K_C varía con la fuerza iónica, temperatura y presión (o volumen). Asimismo K_p para los gases depende de la presión parcial. Estas constantes son más fáciles de medir y se encuentran en cursos de química superior.

FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE UNA REACCION

La velocidad de las reacciones depende de las diferentes naturalezas de las sustancias que intervienen. Por ejemplo, el hierro se oxida por que entra en contacto con el aire muy lentamente, pero de manera más rápida que la del plomo. En cambio, el sodio metálico reacciona de manera violenta con el agua, y el calcio sin embargo, lo reacciona de manera bastante lenta. Como vemos cada sustancia tiene su particular comportamiento.

La velocidad de reacción depende también de las características químicas de las diferentes sustancias que participan del proceso de la reacción, así como también de su estado físico, concentración de reactivos, temperatura e incluso de la presencia o no de catalizadores.

El estado físico: el estado físico de los reactivos condicionará la velocidad de las reacciones. Bastantes reacciones tienen lugar en estado gaseoso preferentemente, o también en disolución, pues así las moléculas poseen mayor libertad de movimiento y se ponen de manera más sencilla en contacto con otras. Por lo general, las reacciones químicas que tienen lugar en disolución donde participan iones, como por ejemplo, las reacciones de precipitaciones o las de neutralización entre ácidos y bases, suelen ser bastante más rápidas que las reacciones en las cuales debe romperse un enlace químico de tipo covalente. En las reacciones heterogéneas, la velocidad de reacción es dependiente de la superficie de contacto entre las dos fases, siendo mayor cuando mayor sea el estado de división. De esta manera, un fragmento compacto de madera o de otra sustancia, como el carbón, arderá de manera más lenta que si se encontrara pulverizado, así el contacto del oxígeno que se encuentra en el aire, con los combustibles será mucho mayor, pudiendo incluso el carbón hecho polvo, llegar a arder con una velocidad altamente explosiva. Así también, el cinc en polvo reacciona con ácidos, como el ácido clorhídrico de manera más rápida, que si éste estuviese en virutas.

La velocidad de reacción química, puede también depender de la concentración de los reactivos. Se puede comprobar científicamente que la velocidad crece cuando lo hacen las concentraciones de las especies reaccionantes. Por lo general, en la mayoría de las reacciones, la velocidad es dependiente de la concentración que haya de los reactivos, sin embargo, existen casos en los que la velocidad de reacción depende de las concentraciones de cada especie que no aparecen en la ecuación estequiométrica de la reacción problema. Eso es debido, a que el mecanismo por el cual tienen lugar dichas reacciones, es decir, la forma como los reactivos se transforman en productos, tiene lugar de una manera compleja. Por lo cual, la comprobación científica de la velocidad de reacción proporcionará una información de utilidad para poder conocer el mecanismo de la reacción.

La temperatura suele afectar de una manera bastante notable a la velocidad de las reacciones químicas. Por lo general, un aumento de la temperatura condiciona un aumento de la velocidad de la reacción. Cuando las temperaturas están próximas a la temperatura que hay en el ambiente, un aumento de 10ºC multiplicaría la velocidad de la reacción por dos. En algunas reacciones de tipo biológicas, este factor podría tener una diferencia mucho mayor.

La velocidad de las reacciones químicas, se puede ver modificada cuando existe la presencia de catalizadores. Un catalizador, es una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción química, participando en la misma reacción pero sin consumirse, por lo tanto, la cantidad de catalizadores que hay, es mínima, tanto al principio, como al final del proceso. Los catalizadores no afectan al estado del equilibrio de un sistema química, pues

únicamente aumenta la velocidad con la que se llega al estado de equilibrio. Por otro lado, los catalizadores son específicos de cada reacción, es decir, que un mismo catalizador no puede causar el mismo efecto para todo tipo de reacciones.

FACTORES QUE AFECTAN AL EQUILIBRIO

El equilibrio puede desplazarse por diversos factores, que podemos clasificar según afecten o no al valor de la constante termodinámica:Modifican el valor de la constante de equilibrio termodinámica: Temperatura Presión Naturaleza del disolventeNo modifican el valor de la constante de equilibrio termodinámica: Actividad del disolvente Fuerza iónica Reacciones laterales

Cálculos en el equilibrio

El cálculo de las concentraciones en el equilibrio requiere el planteamiento de un sistema de ecuaciones con tantas ecuaciones como especies existan en el equilibrio. Las ecuaciones del sistema proceden de: Las constantes de equilibrio. Los balances de masas. El balance de cargas si es necesario. A continuación se expone un procedimiento sistemático para resolver este tipo de problemas:1) Escribir los equilibrios que tiene lugar2) Identificar las especies que intervienen en los equilibrios y cuyas concentraciones se han de determinar.3) Plantear las constantes de equilibrio4) Plantear los balances de masas que expresan la conservación de la materia para las sustancias en la disolución.5) Plantear el balance de cargas, si fuera necesario. La utilización del balance de cargas es necesario cuando el número de especies es superior al número de equilibrios más balances de masas. Esto sucede cuando el disolvente interviene en la reacción, por ejemplo en los equilibrios ácido-base.6) Resolver el sistema de ecuaciones haciendo aproximaciones razonables donde sea posible.

Veamos unos ejemplos de aplicación de las ecuaciones anteriores.

Problema Calcular el log K de la primera protonación del ácido fosfórico en una disolución de fuerza iónica 0,02 M.

Tenemos el siguiente equilibrio:PO4

3- + H+ <=> HPO42-

La relación entre las constantes de actividad y concentración será:Ko = Kc . HPO4 / ( H . PO4)

y por lo tanto:Kc = Ko . ( H . PO4) / HPO4

Para calcular los coeficientes de actividad utilizaremos la ecuación de Debye-Huckel. En las tablas obtenemos:

Log Ko = 12,38

y los parámetros de tamaño: aH = 9; aHPO4 = 4 y aPO4 = 4.Por lo tanto:

log H = - (0,509.(+1)2.(0,02)0,5 ) / (1 + 0,329.9.(0,02)0,5 ) = -0.0508

(Recuerda que RAIZ CUADRADA DE I = I 1/2 = I 0,5 )

de donde:

H = 0.890

de igual forma se obtienen los otros coeficientes de actividad:HPO4 = 0,571 ; PO4 = 0,284

Finalmente obtendremos:Log Kc

(I = 0,02) = 12,04

Problema Calcular el valor de la constante global de formación del complejo AgCl4

3-, en un medio de fuerza iónica 2 M, utilizando la ecuación de Davies y sabiendo que el valor de la constante es log ß = 5,9 a fuerza iónica 0,2 M.

En primer lugar tenemos que obtener la constante a fuerza iónica cero (la termodinámica), para ello se utilizará la expresión:

ßo = ßc.ß

como conocemos la constante a I = 0.2, calcularemos los coeficientes de actividad a esa fuerza ionica y obtendremos ß (I = 0,2).Una vez conocida ßo, aplicaremos:

ßc = ßo / ß

en esta ocasión, como se desea la constante a I = 2 M, se calcularán los coeficientes de actividad a esta fuerza iónica y se obtendrá ß (I = 2).El resultado final es log ßc

(I = 2) = 7,91.

Constante de equilibrio

Constante de equilibrio, constante que equivale al producto de las concentraciones de las sustancias formadas en una reacción química reversible en la que se ha alcanzado el equilibrio, dividido entre el producto de las concentraciones de las sustancias que reaccionan, elevada cada una a un exponente igual al coeficiente que precede a su respectiva fórmula en la ecuación química ajustada.

Sea la reacción reversible entre los reactivos A y B para dar los productos de reacción C y D, según:

aA + bB ⇄ cC + dD

siendo A, B, C y D especies químicas cualesquiera y [A], [B], [C] y [D] sus concentraciones respectivas expresadas en mol/litro.

La velocidad de la reacción directa, v, es directamente proporcional al producto de las concentraciones de los reactivos, elevada cada una a un exponente igual al coeficiente del reactivo en la reacción:

v = k [A]a • [B]b

donde k es la constante de velocidad de la reacción de A con B a una temperatura determinada. La velocidad de la reacción inversa, v ’, es, de forma análoga:

v ’= k’ [C]c • [D]d

Cuando se alcanza el equilibrio, la velocidad de las dos reacciones es la misma y, por tanto:

donde Kc es la constante de equilibrio, que depende únicamente de la temperatura.

En reacciones entre gases se utilizan las presiones parciales en lugar de las concentraciones molares, y la constante de equilibrio se denomina Kp.

En las reacciones heterogéneas, las sustancias sólidas no aparecen en la expresión de la constante de equilibrio, ya que no influyen en las constantes de velocidad. Por ejemplo, en la reacción:

FeO(s) + CO(g) ⇄ Fe(s) + CO2(g)

la constante de equilibrio Kc = [CO2]/[CO], y

I)Introducción.

Todo equilibrio químico es un proceso que, desde un punto de vista mecanístico, incluye la interconversión de varias especies. Algunas de ellas serán reactantes y otras productos y, en la situación de equilibrio, todas ellas se encuentran presentes en el sistema. Si planteamos una ecuación de tipo cinético, existirá una reacción directa (caracterizada por una constante de velocidad directa kd) que provocará la generación de productos, mientras que la reacción inversa (caracterizada por una constante de velocidad inversa ki), provocará la regeneración de los reactantes:

(1)

Las soluciones acuosas de ácidos y bases son un ejemplo de sistemas en equilibrio químico. Todos los ácidos, HX, en disoluciones acuosas, se ionizan y forman iones H+ (o, equivalentemente, iones hidronio, H3O+). Así, dependiendo de cuan importante es la ionización, se hablará de:

Ácido fuerte: aquél en que la ionización es completa y, por lo tanto, no existe, en la solución, ácido en forma molecular. En otras palabras, la reacción anterior tendrá un kd grande o muy grande y un ki pequeño o nulo:

(2)

Ácido débil: aquél en que la ionización es parcial, y los iones pueden regenerar al ácido molecular dentro de la solución:

(3)

Por cierto, en este caso, los valores de kd y ki no difieren en forma tan marcada como en el ácido fuerte. El equilibrio se caracteriza por una igualación de las velocidades de reacción directa (rd), , e inversa, , es decir:

(4)

donde Ka se conoce como constante de equilibrio para el ácido débil.

pH de una disolución.

Una forma de medir el grado de ionización de una disolución ácida, es conociendo su concentración de iones H+. Una convención muy utilizada es la de expresarla en términos de una escala, llamada de pH. Por definición:

(5)

Para disoluciones acuosas no muy concentradas, la escala de pH varía entre:

Si a una disolución ácida, se agrega una disolución de una base, se produce una nueva reacción en que el ácido es neutralizado, formando una sal y H2O. Un ejemplo conocido de base, es el hidróxido de sodio, NaOH. En tal caso, la reacción de neutralización será:

(6)

Aquí, hemos colocado los iones provenientes de la ionización del ácido y la base entre corchetes separados y NaX es la sal resultante.

Titulación de un ácido.

Si se tiene una disolución de ácido de concentración desconocida, el proceso de neutralización con una base, permite inferirla. En efecto, la adición de base, agotará progresivamente los iones H+ en la disolución original, por lo que el pH de ésta disminuirá de la misma forma.

En el agua pura, los iones H+ y OH? están en un equilibrio propio, caracterizado por un valor de pH = 7 (25 ?C). En esta situación, , es decir, no hay excesos o defectos de ninguno de estos iones.

Así, si a un ácido fuerte, inicialmente con una concentración elevada de iones H+ (o equivalentemente, valores de pH pequeño), se le agrega una base, el exceso de iones H+ comenzará a disminuir, hasta llegar al valor pH = 7, en que la disolución se comporta como si fuera agua pura. Esta condición se conoce como punto de equivalencia y permite establecer la concentración del ácido fuerte en la disolución original.

Si se continúa agregando base, la disolución comenzará a tener un exceso de iones OH? y se tornará básica, con valores de pH elevados.

Consideremos el caso de un ácido débil, como el ácido acético (CH3 COOH). Como la ionización en la solución acuosa es sólo parcial, se tendrá:

(7)

y si se agrega NaOH, y de acuerdo con la ecuación (6), se formará Acetato de Sodio y agua:

(8)

En este tipo de equilibrio, coexisten la sal del ácido débil (Na C 2 H 3 O 2 ? ) y el ácido débil (HC 2 H 3 O 2 ? ). Este sistema se conoce como SOLUCION BUFFER (reguladora, amortiguadora) y tiene la propiedad especial de resistir grandes cambios en pH, pues posee una fuente de ácido (el HC 2 H 3 O 2 remanente) y una fuente de base (en este caso, NaOH).

Al comenzar la titulación de un ácido débil, existirá un equilibrio entre la especie ácida y la sal formada, encontrándose que se cumple:

(9)

Donde, obviamente,. De esta forma, si se agrega suficiente base, como para lograr que la razón:

(10)

entonces: pH = pKa y se obtiene directamente el valor de la constante de equilibrio para el ácido débil.

CONSTANTE DE IONIZACION

La constante de ionización es la constante de equilibrio de una disociación iónica, definida inmediatamente por la ecuación de la constante de equilibrio en función de las concentraciones molares correspondientes. Por tanto, la constante de ionización es igual al producto de las concentraciones iónicas dividido por a concentración de la sustancia sin disociar. Todas las sustancias se expresan en la forma convencional de moles por litro, pero las unidades de concentración no se ponen normalmente en forma implícita.

Las constantes de ionización varían apreciablemente con la temperatura. A menos que se diga otra cosa se sobrentenderá que lo temperatura es de 25°C. También se sobrentenderá que el disolvente es el agua a menos que se establezca otra cosa.

La constante de ionización de un ácido débil se representa normalmente por Ka. El equilibrio para el ácido acético puede escribirse de la siguiente forma:

HC 2 H 3 O 2 ? H + C 2 H 3 O 2 Ka= [H] + [C 2 H 3 O 2]

[HC 2 H 3 O 2]

Ionización del agua

Una de las propiedades más importantes propiedades del agua es su capacidad para actuar como un ácido o como una base, i,e, de funcionar como una molécula anfiprótica (del griego anfi, ambos). Solo las moléculas o iones anfipróticos pueden sufrir autoprotolisis. En presencia de un ácido el agua actúa como base, mientras que en presencia de una base el agua actúa como un ácido. No es sorprendente por lo tanto que en agua pura una molécula pueda donar un protón a otra en una reacción el la cual el agua actúa tanto como ácido como base al mismo tiempo. Así, el agua pura se encuentra autoionizada (autoprotolisis) en una pequeñísima proporción según el proceso reversible:

En una reacción de transferencia de un protón desde una molécula de agua otra; el ión oxonio , cuando está solvatado (en disolución acuosa, hidratado) se llama ión

hidronio . La reacción se puede escribir de forma sencilla utilizando la concentración de iones hidrógeno

La constante de equilibrio para este equilibrio químico a una determinada temperatura es:

Teniendo en cuenta que la concentración molar del agua pura es (calculada a partir de su densidad y masa molar

, mientras que la concentración de iones hidrógeno, a la temperatura estándar de es solo de , es decir una cantidad despreciable frente a 55.5 M se puede considerar que la molaridad del agua es una constante que puede ser incorporada en una constante “mayor” que incluya también a y que es conocida como producto iónico del agua, . El valor de (el subíndice proviene de water palabra en inglés que significa agua) se calcula teniendo en cuenta que las mediadas experimentales de la extensión de la disociación de las moléculas de agua las cuales muestran que la concentración de (en forma de iones hidronio) en agua pura es de M a 25 ºC. Ya que la reacción de disociación del agua produce igual concentración de iones que iones hidroxilo la concentración molar de en agua pura será también de a 25 ºC. Esto es:

a 25 ºC

Luego:

Producto iónico del agua

Este valor se mantiene constante, siempre que la temperatura sea de 25 ºC , no importa que otras sustancias estén presentes en la disolución.

La relación entre las moléculas de agua disociadas frente a las no disociadas es aproximadamente de 2 a , un número muy pequeño:

/

Hay dos aspectos importantes en la dinámica del equilibrio de la disociación del agua. Primero, las reacciones directa y reversa son rápidas; las moléculas de , iones y

se interconvierten rapidamente por transferencia protónica de una especie a otra. Segundo la posición del equilibrio está desplazado hacia la izquierda de la ecuación según

está escrita, en cualquier instante dado solo una pequeña fracción de las moléculas de agua están disociadas en y . La vasta mayoría de las moléculas de agua están sin disociar.

Así se puede distinguir las soluciones acuosas como ácidas, neutras y básicas por los valores relativos de la concentración de iones (oxonio) hidronios y iones hidroxilo

, esto es:

Ácida:

Neutra:

Básica:

Una disolución se considera neutra cuando ; ácida cuando y

básica cuando la . Por otra parte las correspondientes concentraciones del ión hidróxido se pueden calcular fácilmente mediante el producto iónico del agua.

Antes de comenzar a trata el tema de la constante del producto de solubilidad, es útil y necesario recordar los conceptos de sales solubles y poco solubles. El AgNO3 por ejemplo, es una sal soluble, en cambio el CH3COOAg, es una sal poco soluble. Esto puede comprobarse fácilmente cuando se intenta disolver una cantidad igual de una sal u otra en un volumen igual de agua.

Si mantenemos la temperatura constante, y añadimos a un vaso o un matraz un poco de sal común, ( NaCl), observaremos que la disolución será completa en pocos segundos. Si repetimos varias veces dicha operación, se verá que la disolución del sólido se produce cada vez de manera más lenta, hasta llegar al punto en el cual ya no se disuelva más sal. Se dice entonces, que la disolución se encuentra saturada en NaCl, y se conoce como solubilidad a la concentración de soluto disuelto en la disolución que se encuentra saturada.

La cantidad de sal que consigue ser admitida por una disolución hasta que se satura suele ser muy grande, pues la sal común es bastante soluble en agua. En cambio, otra serie de compuestos son poco solubles, y basta con disolver una muy pequeña cantidad de ellos para conseguir una disolución saturada. Por lo general, se suele considerar que una sal es de tipo soluble cuando se pueden preparar disoluciones de concentraciones superiores a valores de 0.01M, en cambio, aquellas sales con solubilidades bastante inferiores a 0.01M, se suelen considerar sales insolubles.

Otro ejemplo es el cloruro de plata, AgCl, el cual es una sal más bien poco soluble en agua. Cuando esta se disuelve en agua, de manera rápida se consigue una saturación y se establece un equilibrio entre el cloruro de plata , el cual es sólido, y sus iones, llegando a dar lugar a lo que se conoce como un equilibrio iónico en disolución acuosa, tal y como representa la siguiente ecuación:

AgCl (s) ↔ Ag^+ (ac) + Cl^- (ac)

Como éste equilibrio es de tipo heterogéneo, la expresión de la constante de equilibrio será el producto de las concentraciones de iones en la disolución que se encuentra saturada, pues la concentración de AgCl, es constante debido al hecho de ser un sólido:

Kps = [Ag^+][Cl^-]

La constante de equilibrio conocida como Kps, se le llama constante del producto de solubilidad y, al igual que cualquier constante de equilibrio, el valor depende de la temperatura. Así, la expresión de la constante del producto de solubilidad de un compuesto de tipo iónico que sea poco soluble, será el producto de las concentraciones de los iones que lo compongan en cada caso, encontrándose éstos elevados, cada uno a un exponente que se tratará del número de iones que contenga el compuesto en cuestión.

Cuando se conoce el valor de la constante del producto de solubilidad para un compuesto iónico que sea poco soluble, se puede valcular bien su solubilidad. Es bastante más frecuente encontrar información sobre los valores de las constantes Kps, que sobre las solubilidades en sí.

La constante del producto de solubilidad, también tiene otra aplicación, pues permite conocer si se formará un precipitado al mezclar distintas disoluciones que contengan iones que componen una sal que sea poco soluble.

Si ponemos como ejemplo dos disoluciones, una 2.10^-1 M, de Pb(NO3)2, y otra 2.10^-2 M de Na2SO4, la primera disolución contiene iones Pb^2+ y también iones NO3^-, en cambio, la segunda disolución contiene iones Na^+ e iones SO4^2-. El sulfato de plomo II, es una sal de tipo poco soluble, siendo posible la formación de una pequeña cantidad de PbSO4 (s):

Pb^2+ (ac) + 2 NO3^- (ac) 2Na^+ (ac) + SO4^2- (ac) , ambas reacciones tienen como producto el PbSO4(s).

Pero para poder saber con certeza si se producirá el precipitado de PbSO4, es decir, para saber si se formará una fase sólida cuando mezclamos las disoluciones, se necesita considerar el siguiente equilibrio de tipo heterogéneo:

PbSO4 (s) ↔ Pb^2+ (ac) + SO4^2- (ac)

Así, podemos calcular el valor del cociente de reacción Q, partiendo de las concentraciones de los iones inicialmente.

El cociente de reacción para el proceso, obtiene la forma de la expresión de la constante de producto de solubilidad, dandosele el nombre de producto iónico:

Q= [Pb^2+][SO4^2-]

Si comparamos el valor de Q, con el valor de la constante Kps, se dan tres posibles opciones:

Q< Kps → en este caso no se verá formado ningún precipitado. Q= Kps → la disolución es saturada. Q>Kps → en este caso sí se formará un precipitado.

Hidrolisis Las disoluciones acuosas de sales pueden ser neutras, ácidas o básicas ; debido a

que alguno de los iones procedentes de la sal reacciona con el agua, lo que se denomina hidrólisis , reacción que consiste en la transferencia de un protón entre el ion de la sal y el agua, determinándose el pH por el ácido o base conjugada que quede libre.

De los iones procedentes de las sales (las cuales ce disocian totalmente en sus iones), solamente se hidrolizarán los aniones procedentes de ácido débil (serán bases fuertes), o los cationes procedentes de base débil(serán ácidos fuertes).

Cuantitativamente, la hidrólisis se mide por medio de la constante de equilibrio para la reacción correspondiente, Kh, que se llama CONSTANTE DE HIDROLISIS.

SAL DE ACIDO FUERTE Y BASE DEBIL NH4Cl ------  Cl-    +     NH4+ (Cl- es una base débil, pues procede de un ácido fuerte, el HCl, no se hidrolizará.) Consideraremos la hidrólisis del NH4+, pues se trata de un ácido fuerte por

proceder de una base débil, el NH3. NH4+      +      H2O  -------  NH3      +     H3O+

donde   y, si multiplicamos y dividimos por la concentración

de OH-, quedará : , expresión que es el producto iónico del agua entre la Kb del NH3 (de la base del que procede el ácido fuerte), es decir :

SAL DE ACIDO DEBIL Y BASE FUERTE KCN   ------   K+      +      CN- (K+ es un ácido débil, pues procede de una base fuerte, el KOH, no se hidrolizará.) Consideraremos la hidrólisis del CN-, pues se trata de una base fuerte por proceder

de un ácido débil, el CNH. CN-      +      H2O ------- CNH      +     OH-

donde   y, si multiplicamos y dividimos por la concentración

de H3O+, quedará : , expresión que es el producto iónico del agua entre la Ka del CNH (del ácido del que procede la base fuerte), es decir :

SAL DE ACIDO Y BASE DEBILES CH3-COONH4  -------  CH3COO-     + NH4+ Por una parte, se hidrolizará el NH4+, ya que es un ácido débil por provenir de una

base fuerte, el NH3. NH4+       +H2O ------- NH3     +     H3O+

donde Por otra parte, se hidrolizará el CH3COO-, ya que es una base fuerte por provenir

de un ácido débil. el CH3COOH CH3COO-     +     H2O ------- CH3COOH      + OH-

donde De manera que podrán ocurrir tres situaciones : Si Ka = Kb,    Þ    [H3O+] = [OH-]    Þ     pH = 7 Si Ka > Kb,    Þ    [H3O+] > [OH-]    Þ     pH < 7 Si Ka < Kb,    Þ    [H3O+] < [OH-]    Þ     pH > 7 Disolución Amortiguadora

Para que uno se conserve saludable, hay muchos fluidos en cada uno de nuestros cuerpos que se deben mantener dentro de unos límites muy estrechos de pH. Para que este objetivo se realice, se crea un sistema amortiguador.

Un sistema amortiguador es una solución que puede absorber grandes cantidades moderadas de ácidos o bases, sin un cambio significativo en su pH, es decir, es una disolución que contiene unas sustancias que inhiben los cambios de HP, o concentración de ion hidrógeno de la disolución. Dichas sustancias pueden contener un ácido débil y su sal, por ejemplo, ácido acético y acetato de sodio, o una base débil y una sal de esa base, por ejemplo, hidróxido de amonio y cloruro de amonio. Los fluidos de los organismos vivos están fuertemente tamponados, y el agua del mar y ciertas sustancias del suelo son otros ejemplos de disoluciones tampones existentes en la naturaleza. Las disoluciones tampones se utilizan en química y sirven como referencia en la medida del pH.

Consideremos la reacción del amoniaco en agua: NH3 (g) + H2O ! NH4+ (ac) + OH- (ac) Si observamos la reacción inversa en este equilibrio, veremos que los iones amonio

reaccionan con una base. Pero si disolvemos iones amonio (del cloruro de amonio) en agua ocurre:

NH4+ (ac) + H2O (l) ! NH3 (ac) + H3O- (ac) De esta reacción inversa, podemos ver que las moléculas de amoniaco reaccionan

con los ácidos. Si tuviésemos una solución con suficientes cantidades de cada una de estas sustancias, los iones amonio y las moléculas de amoniaco, tendríamos la deseada solución amortiguadora. Las moléculas del amoniaco reaccionarían con cualquier ácido que se añadiese, y los iones amonio reaccionarían con cualquier

base que se añadiese. Las soluciones amortiguadoras se preparan utilizando un ácido débil o una base débil con una de sus sales. En términos generales, las reacciones aparecerían de la siguiente forma:

- Para un ácido débil: HA + OH- ! H2O + A- A- + H3O+ ! HA + H2O El ácido débil (HA), reacciona con la base que se añade. El ion negativo de la sal

(A-), reaccionara con el ácido que se añade. - Para una base débil: MOH + H3O+ ! M+ + 2H2O M+ + OH- ! MOH La base débil (MOH), reaccionara con el ácido que se añade. El ion positivo de la

sal, (M+), reaccionara con la base que se añade. Los amortiguadores tienen máxima eficiencia para neutralizar los ácidos y las bases

que se añaden, cuando las concentraciones del ácido débil (o de la base) y de la sal son iguales. Podremos preparar una solución amortiguadora de casi cualquier pH, si escogemos el ácido (o base) débil correcto. Existe un ion común entre el electrolito débil y su sal. El comportamiento de una solución amortiguadora puede ser explicado siempre tomando como base nuestro conocimiento acerca del efecto del ion común y el Principio de Le Chatelier, el cual dice que si un producto o subproducto es eliminado del sistema, el equilibrio se verá perturbado y la reacción producirá más producto con el objeto de compensar la pérdida. En las polimerizaciones, este truco es usado para hacer que las reacciones alcancen altas conversiones.

La sangre esta amortiguada, principalmente, por el ion bicarbonato (HCO3-), pero cuando ocurre la hiperventilación que se trata de un estado de sobrerrespiración, causado por el miedo, la excitación o la ansiedad, ya que al ocurrir este proceso una persona expele más dioxido de carbono de lo necesario, alterando el equilibrio del acido carbonico.

Disolución Amortiguadora, Tampón o Buffer 14.-) Defina solución amortiguadora. ¡Cuales son sus componentes! Es una solución de un ácido débil o una base débil y su sal. Los dos componentes

deben estar presentes. La disolución tiene la capacidad de resistir los cambios de pH cuando se agregan

pequeñas cantidades tanto de ácidos como de bases. La disolución amortiguadora está compuesta por un ácido o una base y una sal. 15.-) Cite dos ejemplos donde se ponga en evidencia la importancia de las

soluciones amortiguadoras: las disoluciones amortiguadoras son muy importantes en los sistemas químicos y

biológicas. El pH en el cuerpo humano varía mucho de un fluido de a otro; por ejemplo, el pH

de la sangre es alrededor de 7,4, en tanto que el del jugo gástrico humano es de alrededor de 1,5.

En la mayor parte de los casos, estos valores de pH, que son cítricas para el funcionamiento adecuado de las enzimas y del balance de la presión osmótica, se mantienen gracias a las disoluciones amortiguadoras.

Una solución que contiene moléculas de ácido acético y iones acetato (además, por supuesto, de otros iones). El equilibrio principal en esta solución es:

HC 2 H 3 O 2 ? H++C 2 H 3 O 2-

Descripción del proceso:

    El control de pH de una solución es crítico en una variedad de procesos. Los procesos de neutralización de pH son extremadamente difíciles debido a que exhiben un comportamiento fuertemente no lineal debido a la curva estática de titración (que es la característica de salida del proceso), que puede variar varios órdenes de magnitud en un rango pequeño de valores de pH. El proceso de neutralización de pH consiste de un flujo de solución ácida (acid stream HNO3), otro de solución base (base stream NaOH), y un tercero de la solución cuyo pH se quiere neutralizar (buffer stream NaHCO3).     Usualmente el objetivo de control es regular el pH de la solución de salida a traves de la manipulación del flujo de la solución base, compensando los posibles cambios en el flujo del buffer que se considera como una perturbación no medible. El flujo de la solución ácida, y el volumen del tanque se asumen constantes.     Para resolver el problema propuesto se utilizarán dos métodos de control no lineal: control por linealización exacta y control adaptativo.

 

SOLUCIONES AMORTIGUADORASSoluciones amortiguadoras son aquellas soluciones cuya concentración de hidrogeniones varía muy poco al añadirles ácidos o bases fuertes. El objeto de su empleo, tanto en técnicasde laboratorio como en la finalidad funcional del plasma, es precisamente impedir o amortiguar las variaciones de pH y, por eso, suele decirse que sirven para mantener constante el pH. Los mas sencillos están formados por mezclas binarias de un ácido débil y una sal del mismo ácido con base fuerte, por ejemplo, una mezcla de ácido acético y acetato de sodio; o bien una base débil y la sal de esta base con un ácido fuerte, por ejemplo, amoníaco y cloruro de amonio.La aplicación más importante de esta teoría de los amortiguadores es, para los fisiólogos, el estudio de la regulación del equilibrio ácido-base. Para dar una idea de la importancia de los amortiguadores de la sangre, recordemos que la concentración de hidrogeniones del agua pura experimenta una elevación inmediata cuando se añade una mínima cantidad de un ácido cualquiera, y crece paralelamente a la cantidad de ácido añadido. No ocurre así en la sangre, que admite cantidades del mismo ácido, notablemente mayores, sin que la concentración de hidrogeniones aumente de una manera apreciable.

Mecanismo de la acción amortiguadoraSupongamos un amortiguador constituido de ácido acético y acetato de sodio. El ácido estará parcialmente disociado estableciendo un equilibrio entre las partículas de ácido sin disociar los iones hidrógenos y los iones de base conjugada. El acetato de sodio, como todas las sales, está disociado completamente y, por esta causa, el ión acetato procedente de la sal desplaza el equilibrio hacia la formación de ácido, disminuyendo la concentración dehidrogeniones libres. La presencia conjunta de la sal y el ácido hace decrecer la acidez

libre. Si las cantidades de sal y ácido son del mismo orden de magnitud, la concentración deiones hidrógenos se regulará por la reacción de equilibrio del ácido, es decirCH3-COOH ↔ CH3-COO - + H+Soluciones AmortiguadorasSi añadimos al sistema un ácido fuerte, por ejemplo ácido clorhídrico, se produce un aumento instantáneo de la concentración de iones hidrógenos, los cuales son neutralizados por la base conjugada del ácido liberando así, una cantidad equivalente de ácido débil.Si añadimos al sistema una base fuerte, por ejemplo hidróxido de sodio, los iones hidroxilos consumen rápidamente iones hidrógenos del sistema para formar agua, lo que provoca la transformación de una parte del ácido acético libre en acetato que es una base menos fuerte que el hidróxido de sodio.

La utilidad de las mezclas amortiguadoras en la regulación del equilibrio ácido-base del plasma sanguíneo, estriba precisamente en la posibilidad de mantener la concentración de iones hidrógeno dentro de límites estrechos, que con razón puede considerarse invariable.

El pH se puede mantener muy aproximadamente al nivel que convenga, escogiendo las mezclas adecuadas. Por un ejemplo, con un determinado amortiguador el pH de una cierta reacción puede ser tres, y con otro amortiguador la misma reacción se puede estudiar a pH ocho.

Ecuación de Henderson-Hasselbach

La Ecuación de Henderson-Hasselbach permite calcular el pH de una mezclaamortiguadora conociendo su composición. En su deducción, para un amortiguador compuesto de un ácido débil y una sal de su base conjugada, se considera que la concentración de ácido libre es aproximadamente igual a la del ácido total, y la concentración del ión base conjugada coincide con la concentración de la sal. Con ello, La Ecuación de Henderson-Hasselbach expresa que el pH de una solución amortiguadora se calcula sumando al pK del ácido, el logaritmo de la relación concentración de sal /concentración de ácido, es decirpH = pKa + log [sal].

De acuerdo con todo lo anterior, el pKa de un ácido débil se puede definir como el pH del Soluciones Amortiguadoras sistema amortiguador que resultaría al añadirle una cantidad equimolar de una sal fuerte del mismo ácido, o bien el pH alcanzado después de neutralizar con base fuerte, exactamente,la mitad de ácido. Para el ácido acético, una solución uno molar de ácido puro tiene un pH de 2.38, mientras que un sistema amortiguador con cantidades equimolares de ácido y sal tiene un pH igual al pK del ácido acético, es decir, 4.76.

Propiedades de los amortiguadores

1. El pH de una solución amortiguadora depende de la naturaleza del ácido débil que la integra, es decir del pKa del ácido.2. El pH de un sistema amortiguador depende de la proporción relativa entre la sal y el ácido, pero no de las concentraciones absolutas de estos componentes. Por ejemplo, un sistema amortiguador 2 M en sal y 1 M en ácido, regula el mismo pH que un sistema amortiguador 4 M en sal y 2 M en ácido, debido a que la relación concentración de sal /concentración de ácido es igual.

3. La modificación del pH, en una solución amortiguadora, resulta exigua hasta que uno de los componentes esté próximo a agotarse, debido a que el pH varía con el logaritmo del cociente concentración de sal / concentración de ácido. Este cociente es afectado por la adición de ácido o base fuerte, pero el valor logarítmico de la relación concentración de sal / concentración de ácido varía muy poco.

Ejercicio 1. Calcular el pH de la solución que resulta al mezclar dos soluciones acuosas que contienen, respectivamente, 2 moles de ácido acético y 6 moles de acetato de sodio. El pKa del ácido acético es 4.75 Se aplica la ecuación de Henderson-Hasselbach 4.75 log 6 5.22 3 pH = + =

Soluciones Amortiguadoras

Ejercicio 2. Calcular el pH de una mezcla de 3 moles de ácido acético 1 mol de hidróxido de sodio en un litro de solución acuosa al terminar la reacciónUna mol de hidróxido de sodio reacciona con una una mol de ácido acético, convirtiéndose la mezcla en una solución amortiguadora que contiene 2 moles de ácido acético y 1 mol de acetato de sodio Aplicando la ecuación de Henderson-Hasselbach tenemos que

4.75 log 1 4.452pH = + =

Ejercicio 3. Calcular el pH de una mezcla de 5 moles de lactato de sodio y mol de ácido clorhídrico en un litro de solución acuosa al finalizar la reacción. El pKa del ácido láctico es 3.86Una mol de ácido clorhídrico reacciona con una mol de lactato de sodio, convirtiéndose la mezcla en una solución amortiguadora que contiene una mol de ácido láctico y 4 moles de acetato de sodioAplicando la ecuación de Henderson-Hasselbach tenemos que3.86 log 4 4.461pH = + =

Ejercicio 4. Calcular el pH de una mezcla equimolar de NH3 y NH4Cl. El pKb delamoniaco es 4.75 Para una solución amortiguadora compuesta de una base débil y una sal de su correspondiente ácido conjugado, la ecuación de Henderson-Hasselbach es de la forma Soluciones Amortiguadoras

log [ ]b [ ]pOH pK salbase= +Al aplicar esta ecuación al sistema amortiguador amoniaco / cloruro de amonio resulta que el pOH = pKb = 4.75y entonces, el pH = 14 - 4.75 = 9.25

CAPACIDAD O EFICACIA AMORTIGUADORA

La capacidad de amortiguación puede definirse como "La cantidad de ácido o base fuerte que deben añadirse a un litro de solución amortiguadora para producir un cambio de pH de una unidad". También puede definirse como "El cambio de pH que se produce por la adición de una cantidad dada de ácido o base fuerte".Puede demostrarse que la eficacia máxima de un amortiguador, tanto para neutralizar ácidos como bases, está en la zona de pH próxima al pK del ácido. El máximo de eficacia de un amortiguador frente a una base está en el punto de pH igual a pK - 0.5, mientras que la eficacia máxima frente a un ácido fuerte está en el punto de pH igual a pK + 0.5. A medida que nos alejamos del pK, la capacidad amortiguadora decrece, considerándose nula a tres unidades de distancia, es decir, a un valor de pK + 3 frente a las bases y de pK – 3 frente a los ácidos. En estas condiciones solo encontramos, prácticamente, uno de los componentes del sistema. Los amortiguadores fisiológicos rara vez tienen un valor de pK que coincide con el pH que van a amortiguar. Normalmente sus pK están unas décimas más abajo del pH fisiológico. Esto se traduce en una mayor eficacia de los sistemas para amortiguar ácidos que para amortiguar bases. De todo lo expuesto anteriormente, se deduce que puesto que el pH celular es próximo a siete, la eficacia amortiguadora máxima corresponde a los sistemas cuyo valor de pK esté comprendido entre seis y ocho.

SOLUCIONES AMORTIGUADORAS

Neutralización de un ácido débil con una base fuerteCuando se neutraliza un ácido débil con una base fuerte, el ácido débil se disocia en solución dando una pequeña cantidad de iones hidrógeno que son neutralizados por los iones hidroxilos alterando el equilibrio entre el ácido débil y sus iones. Por consiguiente, se ioniza más ácido débil para restablecer el equilibrio y los iones hidrógeno producidos se pueden neutralizar mediante mas hidroxilos y así sucesivamente hasta que todo el hidrógeno inicial sea neutralizado.

Consideremos la neutralización de un volumen de una solución de ácido acético 0.1 M con hidróxido de potasio 0.1 M. Cuando se haya valorado menos de la mitad del ácido, el pH es menor que el pK del ácido; cuando se haya valorado mas de la mitad del ácido, el pH es mayor que el pK del ácido y cuando se haya valorado la mitad del ácido, el pH es igual al pK del ácido y la mezcla amortiguadora presenta la mayor eficacia.En la práctica se considera que una mezcla de un ácido débil y su base conjugada forman un amortiguador satisfactorio sobre el margen de pH desde pK - 1 hasta pK + 1. Una mezcla cuyo pH sea igual a pK - 1 en la que la proporción sal / ácido es 0.1, es un amortiguador efectivo contra un álcali, pero mucho menos efectivo contra un ácido fuerte y la eficacia máxima está en el punto de pH igual a pK - 0.5. Una mezcla cuyo pH es igual a pK mas uno y cuya proporción sal / ácido es 10, es un amortiguador efectivo contra ácidos fuertes, pero mucho menos efectivo contra bases y la eficacia máxima esta en el punto de pH igual a pK + 0.5.Cuando se haya valorado completamente el ácido débil, este se ha transformadoíntegramente en su respectiva base conjugada pero, sin embargo, su pH en este punto no es siete (mayor que siete), por la hidrolización de la base conjugada.En el metabolismo se liberan ácidos que forman sistemas amortiguadores como el del ácido acético/acetato, como por ejemplo, pirúvico, láctico, acetoacético, butírico, etc, pero como su concentración en sangre no es elevada en condiciones normales y su pK está lejos del pH Soluciones Amortiguadoras de la sangre, su acción amortiguadora en el plasma tiene poco interés, aunque pueden ser mas interesantes como amortiguadores intracelulares.

NEUTRALIZACIÓN DE UNA BASE DÉBIL CON UN ÁCIDO FUERTE

En este caso, el pH en el punto de equivalencia es, ahora, menor que siete y la curva en total parece la imagen especular de la curva de valoración de un ácido débil con base fuerte.Las mezclas de una base débil con su ácido conjugado son amortiguadores de pH tan efectivos como las mezclas de ácido débil-base conjugada formadas durante la neutralización de un ácido débil con una base. Por idénticas razones, las mezclas cuyo pH, aproximadamente, esté entre una unidad del pK del ácido componente, tendrán una sustancial capacidad amortiguadora. Como los valores de pK de los ácidos conjugados de bases débiles son normalmente mayores que siete, esto significa que las mezclas de base débil-ácido conjugado son buenos amortiguadores en pH alcalino, como por ejemplo, en orinas alcalinas.

Neutralización del ácido fosfórico

El ácido fosfórico es triprótico y, por lo tanto, disocia en tres etapas. En cada etapa se forma una base conjugada anfótera la cual, a su vez, disocia en la etapa siguiente como un ácido.La curva de neutralización muestra dos puntos intermedios de equivalencia, en los cuales el pH es la medida de los valores de pK a ambos lados del punto de equivalencia. Los iones intermedios son las especies predominantes en los puntos de equivalencia intermedios.

El pK de la segunda disociación (pK2 = 6.8) es el más próximo al pH del medio interno y, por lo tanto, esta segunda disociación es la que tiene lugar reversiblemente según el pH; de ahí la acción amortiguadora del sistema fosfato monosustituido / fosfato monosustituido. La primera y tercera disociación (pK1 = 2; pK3 = 12), no tienen interés biológico.A un pH fisiológico de 7.4, la concentración de fosfato monoácido es unas cuatro veces. Soluciones Amortiguadoras superior a la de fosfato diácido, el sistema es más eficaz para amortiguar ácidos fuertes que para amortiguar bases fuertes, lo que es una ventaja biológica porque en el organismo predomina la tendencia a las variaciones hacia el lado ácido.

Como la eficacia de un amortiguador depende de la concentración absoluta delamortiguador en el medio y de la proximidad de su pK al pH que se trata de regular, el sistema de los fosfatos, aunque está bastante diluido en el plasma cumple bien el segundo requisito, y por eso contribuye eficazmente a amortiguar las variaciones de pH.

Los ácidos policarboxílicos, también producidos en el metabolismo, como el succínico, fumárico, málico, oxaloacético, cetoglutárico, cítrico, etc, se comportan según los pK de sus diversos grados de disociación, análogamente al ácido fosfórico. Tampoco tienen mucho interés cuantitativo como amortiguadores biológicos.

Aminoácidos y pétptidos

Los aminoácidos comunes son sencillamente ácidos polipróticos débiles. La característica mas específica de la molécula de los aminoácidos es la existencia en una misma molécula de grupos ácidos y básicos simultáneamente, que corresponden a su carácter anfótero. Los grupos ácidos y básicos suelen neutralizarse mutuamente constituyendo una sal interna, formando el llamado ion híbrido o zwitterion (especie de carga negativa y positiva). Los aminoácidos neutros son ácidos dipróticos y los aminoácidos ácidos y básicos son ácidostripróticos. El primer grupo que disocia es el carboxilo. La segunda disociación, para los aminoácidos ácidos es la del carboxilo de su radical característico y para los aminoácidos básicos la del grupo alfa-amonio.El punto isoeléctrico de un aminoácido es el pH en el que este no lleva ninguna carga neta, es decir, la forma iónica predominante es la especie isoeléctrica (positiva v negativa) y hay cantidades iguales de las formas fónicas positiva (+) y negativa (-).

Las curvas de neutralización de los aminoácidos son de las mismas características de los Soluciones Amortiguadoras ácidos polipróticos, donde los pK corresponden a los puntos de inflexión de las dos regiones en que el pH varía lentamente con la adición de ácido o base, es decir, las dos regiones de pH en que el aminoácido presenta mayor capacidad amortiguadora. En la zona del punto isoeléctrico, el poder amortiguador del aminoácido es nulo.

El interés fisiológico de los aminoácidos como amortiguadores sanguíneos depende de la proximidad del pK al pH fisiológico, destacándose por su importancia la histidina por su pK2 = 6.0.

Conocido el poder amortiguador de los aminoácidos, poco hay que añadir para interpretar la acción amortiguadora de los péptidos en general. El enlace peptídico entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del otro, bloquea las propiedades ácidobásicas y amortiguadoras que tendrían estos grupos. Sin embargo, todos los péptidos tienen algunos grupos disociables. En efecto, por lo menos habrá un grupo carboxilo terminal (pK = 3.5) y un grupo amino terminal (pK = 8.0). Además, los aminoácidos ácidos aportan los segundos grupos ácidos de sus cadenas laterales (carboxilo de los ácidos aspártico y glutámico, pK = 4 y sulfidrilo de la cisteína, pK = 10). Y, por otra parte, están los segundos grupos básicos de los aminoácidos básicos como el de la lisina (pK = 10), el de la histidina(pK = 7.O) y el de la arginina (pK = 12.5).Las proteínas del plasma, cuyo pK está en la zona débilmente ácida, a pH ligeramente alcalino se comportan como ácidos débiles y, así, al pH de la sangre son aniones, dato esencial para la interpretación correcta de su acción amortiguadora correspondiente al contenido de proteinato.El sistema bicarbonato / anhídrido carbónico: HCO3 / CO2

El sistema bicarbonato/anhídrido carbónico es uno de los amortiguadores sanguíneos principales. El ácido carbónico se ioniza como un ácido diprótico débil típico. Sin embargo, la mayoría del ácido conjugado disuelto en la sangre y en el citoplasma está como anhídrido carbónico y no como ácido carbónico. El anhídrido carbónico disuelto está en Soluciones Amortiguadoras equilibrio con el anhídrido carbónico gaseoso relacionados de acuerdo a La Ley de Henry. En el plasma sanguíneo la etapa de ionización de interés biológico es la segunda cuyo pK2 = 6.1, y para un pH sanguíneo de 7.4 la relación concentración de bicarbonato /concentración de anhídrido carbónico es de 20/1. Todo cambio en esta relación significa, como es evidente, variación de pH. Un aumento de ella corresponde al trastorno denominado alcalosis y si disminuye se llama acidosis.En condiciones in vivo, el amortiguador bicarbonato/anhídrido carbónico es un sistema abierto en el que la concentración de anhídrido carbónico disuelto se mantiene constante.

Cualquier exceso de anhídrido carbónico producido por la reacción entre el ion hidrógeno y el ion bicarbonato es eliminado por los pulmones y contribuye, por lo tanto, a mantener el pH alrededor de 7.4. A primera vista, podría aparecer que en un sistema abierto, la reserva de bicarbonato se agotaría rápidamente. Sin embargo, in vivo, el bicarbonato se recupera constantemente mediante los procesos metabólicos oxidativos.

Sistema hemoglobina reducida / oxihemoglobinato: Hb/Hb02Además de su conocida función como transportador de oxígeno, la hemoglobina juega un papel importante como amortiguador sanguíneo. Con el fin de entender la interrelación entre la toma y liberación de oxígeno y la acción amortiguadora de la hemoglobina, debemos considerar la interacción entre algunos equilibrios simultáneos.

En cualquier momento, la hemoglobina se presenta como una mezcla de formas oxigenadas (HbO2) y desoxigenadas (Hb). La proporción de cada una depende de la concentración o presión parcial de oxígeno.La hemoglobina contiene muchos grupos ionizados. Uno en particular es el residuo de histidina que tiene un pK casi neutro. Así, en cualquier momento, la hemoglobina está presente también como una mezcla de formas protonadas (ácidas) y no protonadas (básicas). La proporción de cada una depende del pH de la sangre. Con el fin de combinar los dos equilibrios simultáneos, debemos admitir que la desoxihemoglobina representa una Soluciones Amortiguadoras mezcla de desoxihemoglobina protonada o reducida (ácido conjugado, HHb) y desoxihemoglobina no protonado o desoxihemoglobinato (base conjugada, Hb- ). Por decirlo de otra forma, el ácido conjugado de la hemoglobina existe en las formas oxigenadas (HHbO2) y desoxigenadas (HHb). Lo mismo le ocurriría a la base conjugada de la hemoglobina (HbO2- , Hb-). Así, hay en cualquier momento, cuatro especies de hemoglobina. La proporción de cada una depende de la concentración de oxígeno y el pH.

La hemoglobina de los eritrocitos llega a los pulmones, principalmente, como mezcla de formas desoxigenadas, HHb mas Hb-. En los pulmones, la desoxihemoglobina se une al oxígeno produciéndose la oxihemoglobina, la cual es un ácido más fuerte que la desoxihemoglobina. Un cambio conformacional en las moléculas debido a la oxigenación, disminuye el pK de la histidina de la región del grupo hemo hasta aproximadamente 5.7.

Como resultado, el equilibrio se desplaza hacia la liberación de iones hidrógeno y con cuyo incremento se acelera su reacción con el ion bicarbonato, provocando la eliminación del ion hidrógeno y el desprendimiento de anhídrido carbónico a la atmósfera. Esta especial propiedad hace de la hemoglobina un amortiguador extraordinariamente eficaz, puesto que al modificar su pK puede confiar la proporción base conjugada /ácido sin que se produzca cambio alguno en el pH.La hemoglobina oxigenada (principalmente base conjugada) se transporta a los tejidos donde la baja presión parcial de oxígeno provoca que se disocie, es decir, libere oxígeno produciéndose hemoglobina desoxigenada que es una base mas fuerte que el oxihemoglobinato. Así, después de la liberación del oxígeno, la oxidación de los alimentos libera anhídrido carbónico que al disolverse en agua produce ácido carbónico que con su ionización libera iones hidrógeno los cuales son captados por el desoxihemoglobinato transformándose en desoxihemoglobina. El ácido conjugado de la hemoglobina tiene una menor afinidad por el oxígeno (menor constante de disociación) que la base conjugada de la hemoglobina.