2. MATERIA Y ENERGÍA 2.1. Introducción

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1 2 MATERIA Y ENERGÍA 2.1. Introducción La materia. Estructura Generalidades El átomo La unión entre los átomos: cristales y moléculas La materia a nivel macroscópico La energía Generalidades Energía y átomos Energía y cristales y moléculas Energía y materia Definición de energía Las transformaciones de la materia y de la energía Generalidades Transformaciones de la materia y la energía en las reacciones químicas Transformaciones de la materia y la energía en los cambios de estado Conversiones energéticas Reversibilidad de las conversiones energéticas Conversión energética y eficiencia: rendimiento LECTURA: NATURALEZA DE LA LUZ Las primeras teorías sobre la naturaleza de la luz Triunfo de la teoría ondulatoria: ondas electromagnéticas Efecto fotoeléctrico E=m c 2 33

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3 2. MATERIA Y ENERGÍA 2.1. Introducción En este punto se expone en forma descriptiva y somera el estado actual de conocimientos sobre estos dos conceptos, materia y energía con los que se convive cotidianamente, pero que resultan muy difíciles de comprender cuando se penetra en su complejidad. A pesar de los grandes avances sobre estos conceptos, acaecidos en el siglo XIX y XX, aún hoy puede decirse que continúan habiendo grandes interrogantes, y que la humanidad aún dista mucho de conocer la naturaleza profunda de la materia y la energía. Estos interrogantes, esta incertidumbre, se extienden desde lo infinitamente grande (el universo) hasta lo infinitamente pequeño (el átomo con todo su conjunto de partículas subatómicas), desde la naturaleza de la luz hasta las enormes energías encerradas en el interior de los núcleos atómicos. Se sabe que materia y energía son conceptos indisolublemente unidos, dos caras de una misma realidad, pero que en gran parte sigue siendo un misterio para los humanos. La Física y la Química, entre otras, son las ramas del conocimiento que se ocupan de descifrar estos enigmas, pero unas y otras avanzan en la medida de que se ha ido disponiendo de instrumentos que permitan ver más allá de lo que se observa a través de los sentidos. El conocimiento de los aspectos íntimos de la materia y de la energía se ven constreñidos por una doble limitación: por la disponibilidad de instrumentos (de tecnología) capaces de detectar ciertos fenómenos (por ejemplo, un acelerador lineal capaz de lanzar un chorro de electrones contra el núcleo de un átomo y romperlo, así como un sistema de detención capaz de ver las partículas subatómicas desprendidas), así como por los inconvenientes derivados de la interacción entre el aparato de medida y el fenómeno que se quiere observar (muchas veces, la presencia del aparato de medida impide que el fenómeno se manifiesta en su naturaleza real) Desde luego, la Física también se plantea modelos teóricos, formulaciones matemáticas de las teorías derivadas de los nuevos conocimientos. Así los avances de los conocimientos sobre la materia y la energía se apoyan en una parte experimental y otra parte teórica. Incluso, puede afirmarse que la enorme complejidad de estos temas, las formidables incógnitas que se plantean, acercan cada vez más las Ciencias Básicas y las Tecnologías, a la Filosofía. Por último, también ha de señalarse una dificultad añadida para la comprensión de estos temas, cual es el lenguaje empleado para tratarlos y para explicitarlos. El lenguaje común se ha configurado sobre la experiencia cotidiana de los sentidos, es decir, sobre los conceptos de una Física clásica que la imaginación percibir (movimiento, partícula, masa, etc.). Los fenómenos que ocurren al margen de nuestros sentidos resultan difíciles de entender y requieren nuevos términos para su expresión. Por las mismas razones anteriores, también resulta difícil presentar estos temas (materia y energía) en forma estructurada e independiente (lo cual facilitaría su comprensión). A pesar de todo, se ha configurado el tema en tres apartados: materia, energía y transformaciones de ambas, con la esperanza de que de este modo, su comprensión sea más sencilla. 35

4 2.2. La materia. Estructura Generalidades Según el diccionario, materia es la sustancia de que están constituidas las cosas. También, cualquier cosa que ocupa espacio, añadiéndose también en algunas definiciones que la materia posee masa y que puede presentarse en tres estados : Sólido, Líquido y Gaseoso. Los griegos, partiendo de que la materia sólida podía dividirse en pequeños granos, en motas de polvo, definieron con la palabra átomo lo que teóricamente consideraban la parte más pequeña e indivisible de la materia (una partícula sería la parte más pequeña de la materia que se puede obtener por procedimientos físicos) Más tarde, cuando se comenzaron a comprender y efectuar las reacciones químicas, se observó que la materia podía transformarse, que unas sustancias podían convertirse en otras. Así se llegó al concepto de elementos puros y elementos compuestos. Los primeros no podían transformarse en otros, por procedimientos químicos, mientras que los segundos sí se podían transformar (un elemento puro es el oxígeno (O 2 ) y un elemento compuesto es el agua (H 2 O). Finalmente, también se introdujeron los conceptos de sustancias puras y mezclas. Las primeras están formadas por elementos, puros o compuestos, mientras que las segundas están formadas por dos o más sustancias que pueden separarse por procedimientos físicos. Estas mezclas pueden ser homogéneas, en la que no se distinguen sus componentes ni siquiera al microscopio, como las disoluciones, por ejemplo el agua salada; y heterogéneas, en las que sus componentes diferentes se observan a simple vista (como el mortero de cemento, por ejemplo) LA MATERIA A NIVEL MACROSCÓPICO Estado de agregación: Sólido Líquido Gaseoso Mezclas: Homogéneas Heterogéneas Sustancias puras: Elementos Compuestos El átomo La primera idea moderna de átomo fue formulada por J. Dalton (químico inglés, ) a partir de los estudios sobre reacciones químicas. El 36

5 átomo se definía, en la práctica, como lo hicieron los griegos en la filosofía: como partícula material indivisible. Ya en el siglo XIX, Thomson realizó un estudio sobre la conductividad de gases a baja presión en un tubo de descarga y observó una luminiscencia en la pared del tubo opuesta al cátodo a los que llamó rayos catódicos (los observó por la sombra del ánodo sobre el fondo del tubo). Se desplazaban en línea recta, tenían gran energía cinética (hacían rodar una rueda de paletas interpuesta en su trayectoria), se desviaban hacia la placa positiva al aplicarles un campo eléctrico y comprobó además que eran independientes del gas encerrado en el tubo (su relación carga eléctrica dividida por la masa era igual para todos). Esta partícula, idéntica para todos los gases, y con carga negativa, la llamó electrón. Tubo de descarga Luminiscencia Rueda de paletas A la bomba de vacio Chorro de partículas Sombra P < 0,1 Pa + - Ánodo Rayos catódicos Cátodo Alto voltaje (5000 V) Figura 2.1. Tubo de descarga De acuerdo con esta experiencia, Thomson propuso en 1898 un modelo de átomo compuesto por un conjunto de electrones incrustados en una masa esférica, cargada positivamente, y de naturaleza desconocida. Electrón Materia cargada positivamente Figura 2.2. Modelo atómico de Thomson 37

6 En 1886, el físico alemán E. Goldstein ( ) profundizó los estudios en los tubos de descarga. Al emplear un cátodo perforado observó otra radiación de partículas con carga positiva que aparentaba provenir de los canales abiertos en el cátodo, por los que los llamó rayos canales. Tubo de descarga y rayos canales A la bomba de vacio Luminiscencia Cátodo perforado Sombra P < 0,1 Pa + Ánodo Rayos catódicos - Rayos canales Alto voltaje (5000 V) Figura 2.3. Rayos canales en tubo de descarga Observó que se desviaban hacia la placa negativa de un campo eléctrico aplicado y que la relación entre la carga y la masa diferida de un gas a otro. Posteriormente, se comprobó que la carga eléctrica de esta partícula era igual a la del electrón, y pasó a denominarse protón. En el año 1919, el físico neocelandés E. Rutherford ( ) realizó una serie de experimentos bombardeando con partículas α (procedentes de un material radioactivo, por ese entonces recientemente descubiertos) una lámina de oro. Como resultado de sus experimentos formuló su modelo nuclear del átomo, formado por un núcleo, donde se alojan los protones y la casi totalidad de la masa, y una corteza, formada por los electrones que giran alrededor del núcleo (como si se tratara de un sistema solar en miniatura). E=m c 2 Figura 2.4. Átomo de Rutherford Dado que los átomos son eléctricamente neutros, dedujo que el número de protones y de electrones tenía que ser el mismo. En 1930, los físicos Bothe y Becker observaron una nueva radiación, muy penetrante, al someter una muestra de berilio a un bombardeo con partículas α. En 1932, J. Chadwick confirmó la neutralidad eléctrica de las mismas (no eran desviadas por el campo eléctrico), y las denominó neutrones. 38

7 Por medio de los espectrógrafos de masas se determinaron las masas de los diferentes componentes del átomo: Masa del electrón: 9, Kg Masa del protón: 1, Kg Masa del neutrón: 1, Kg La determinación de la masa de los elementos subatómicos se consiguió con el espectrógrafo de masas. Iones del elemento Placa fotográfica E Rendijas colimadoras Campo magnético Figura 2.5. Espectrógrafo de masas Consiste esencialmente en un potente campo magnético perpendicular a la trayectoria de las partículas. La fuerza que actúa sobre ellas las desvían más o menos de su trayectoria, y esta desviación es proporcional a su masa Estudios posteriores revelaron una nueva peculiaridad: habían átomos con las mismas propiedades químicas pero con diferente masa. A estos los llamaron isótopos. De acuerdo con todo lo conocido hasta ese momento, el átomo estaba definido por dos características: su número atómico, o número de protones presentes en el núcleo (Z), y su número masivo, determinado por la suma de protones y neutrones de su núcleo (A) (El número de electrones no es definitorio de un átomo; este puede perder o ganar un electrón, por ejemplo, convirtiéndose en un ión, pero conserva todas sus propiedades químicas) De acuerdo con esta nomenclatura, un átomo cualquiera X se representa en su composición interna, por: A mediados del siglo XIX los científicos inventaron un nuevo aparato, al que llamaron espectrógrafo de emisión. Consistía fundamentalmente en excitar el átomo, suministrándole energía (térmica o de otro tipo) y luego estudiar 39

8 el espectro de esa radiación emitida (su luz, visible, o no) cuando volvía a su situación originaria. Así se obtendría lo que llamaron espectro de emisión de cada elemento. Tubo de descarga que contiene el elemento Prisma Pantalla Espectro de emisión Pantalla Ultra Violeta Violeta Azul Rojo Infra Rojo 360,6 nm 656,3 nm Figura 2.6. Espectro de emisión de un elemento El espectro de la luz solar es continuo, es decir, contienen todas las frecuencias, mientras que los espectros de los elementos son discretos, es decir, contienen radiaciones en frecuencias determinadas (que siempre son las mismas, constituyendo las auténticas huellas dactilares de los elementos) Esta situación no concordaba en el modelo atómico de Rutherford, pues según él, el espectro de emisión del electrón (o electrones) excitado debería ser continuo (al retornar a su posición originaria de forma continua, siguiendo una trayectoria en espiral) Además, para mantener la órbita circular el electrón debería recibir energía de forma continua, pues se trata de un movimiento acelerado (aceleración centrífuga) Teoría cuántica de Planck Según la teoría electromagnética clásica, la energía de una onda depende exclusivamente de su amplitud. Amplitud, A Longitud de onda en un período, T Velocidad, v Figura 2.7. Onda electromagnética 40

9 Sin embargo, al observar el espectro de emisión de diferentes elementos, la energía emitida no era proporcional a la longitud (o longitudes) de onda correspondiente. En 1900, el físico alemán M. Planck ( ) propuso su revolucionaria teoría, a la que se llamó teoría cuántica. Según ella, los cuerpos emiten o absorben energía en forma de paquetes o cuantos de energía. La energía de un cuanto viene dada por la expresión: E=h υ Siendo υ la frecuencia de la onda de emisión y h una constante a la que asignó el valor h=6, J s Para salvar las inconsistencias del modelo atómico de Rutherford, el físico danés Niel Bohr ( ) formuló en 1913 una nueva teoría sobre la estructura del átomo, en la que suponía que la energía del electrón dentro del átomo está cuantizada, es decir, que los electrones sólo pueden encontrarse en determinados niveles alrededor del núcleo (niveles permitidos de energía, a los que denominó con los números naturales 1,2,3,..) En esos niveles, el momento angular (producto de la masa por la velocidad y por el radio de la órbita del electrón) es un múltiplo entero de la constante de Planck h. Según este modelo, sólo se emite o absorbe energía cuando el electrón pasa de un nivel permitido a otro (de esta forma justificaba que el espectro de emisión fuese discontinuo) En la figura 2.8 se observa un átomo de hidrógeno formado por un protón y un electrón, girando en una órbita circular de mínima energía (no excitado). Cuando se le suministra energía, el electrón gira en la órbita E 5. Si se toma el espectro de emisión (radiación emitida cuando el electrón cae a su nivel más bajo), se observa un número discreto de líneas, correspondiente a los distintos niveles de energía previstos por Borh. El modelo de Borh también presenta serios inconvenientes pues no explicaba el porqué la energía en las órbitas estaba cuantizada y porque tampoco encajaba Energía creciente de los niveles electrónicos E 4 E 3 E 2 E 1 Núcleo Nivel fundamental Electrón excitado E = E 4 - E 1 Órbitas circulares n=1 n=2 n=3 n=4 Figura 2.8. Niveles energéticos de los electrones Emisión de luz monocromática E 4 - E 1 v = h 41

10 con los nuevos resultados experimentales obtenidos con espectrógrafos más potentes, en los que se observó que algunas líneas del espectro eran dos en realidad, o que el espectro de emisión obtenido cuando la sustancia se sometía simultáneamente a un campo magnético, algunas líneas se desdoblaban en varias. Para salvar estos inconvenientes, Heisemberg y Schorödinger propusieron un nuevo modelo, al que se denominó mecánico-cuántico. Orbital 90% de probabilidad Distintas posiciones del electrón Figura 2.9. Modelo mecánico-cuántico del átomo Según este modelo, el electrón en movimiento tiene asociada una onda (el movimiento del electrón es de carácter ondulatorio) y por otro lado es imposible predecir con exactitud las trayectorias exactas de los electrones y ni mucho menos su posición. Se introduce así el concepto de orbital, que son unas superficies imaginarias dentro de las cuales la posibilidad de que se encuentran el electrón es máxima. Este modelo introduce también los números cuánticos, que describen con más exactitud la distribución de los electrones en los átomos, de acuerdo con los resultados experimentales. Cuatro son los números cuánticos definidos en este modelo: 1º. El número cuántico principal, n, designa el nivel de energía (diámetro del orbital). Se denominan por los números 1,2,3,.. 2º. El número cuántico del momento angular orbital, l, que determina la forma de la órbita y la energía dentro de cada nivel. Se designan por las letras s,p,d y f. 3º. El número cuántico magnético, m l, que refleja la posición del orbital en el espacio y explica el desdoblamiento de las líneas espectrales al aplicar un campo magnético externo. Toma valores l, -l+1,- l+2,..,0,+1, -l-1,l (si l=2 orbital d) m l =-2,-1,0,+1,+2. 4º. El número cuántico magnético del spin del electrón, m s, determina si el electrón se alinea de forma paralela o antiparalela a un campo magnético externo. Puede tener valores +1/2 y -1/2. El ordenamiento de los electrones en los diferentes niveles y orbitales se rigen por dos reglas: o El Principio de exclusión de Pauli, que supone que dos electrones de un mismo átomo no puede tener los cuatro números cuánticos iguales. Además, los orbitales se llenan según sus energías relativas, empezando por la de menor energía. 42

11 o La Regla de Hund que señala que dos orbitales con los mismos números cuánticos n y l tienen la misma energía. La configuración de los electrones de un átomo configura su estructura o configuración electrónica. La configuración fundamental es la del átomo en estado natural, no excitado, o de mínima energía. El tamaño del átomo El átomo del elemento más sencillo, el hidrógeno, está formado por un protón de m, de m protón m electrón x m 100 Km electrón m 1 m Ni el modelo atómico de Bohr, ni el mecánico-cuántico, explican qué ocurre en el núcleo de los átomos, cómo están estos constituidos. Con estos modelos, el núcleo no podría mantenerse estable, pues los neutrones se repelarían (al tener la misma carga eléctrica), y las atracciones gravitatorias entre neutrones y protones serían despreciables (dada la pequeñez de sus masas y las cortas distancias entre ellos) La realidad obliga a aceptar la presencia de fuerzas entre los nucleones (nombre genérico que se les da a todos los componentes del núcleo) mucho mayores que las electroestáticas y las gravitatorias, a las que se conoce con el nombre de interacción fuerte. Su naturaleza es desconocida, pero presentan dos características que han sido observadas: Figura Tamaño del átomo radio y girando a su alrededor, a una distancia de m, un electrón con un radio de m. Si el protón y electrón tuvieran un radio de 1m, la distancia entre ellos sería de m (100km) En átomos con mayor número másico A, el radio del núcleo es del orden de m, y puede calcularse por la expresión: R=1, A1/3 m Son fuerzas independientes de la carga (no distinguen entre protones y neutrones) Son fuerzas de corto alcance (del orden de m) Para explicar la naturaleza de las fuerzas nucleares, H. Yukawa, en 1935, propuso que el protón y el neutrón no son partículas distintas, sino que una se transforma en la otra intercambiando una tercera partícula, a la que se denominó mesón (su carga eléctrica, positiva o negativa es igual a la del protón, y su masa entre 200 y 300 veces la del electrón) 43

12 En el proceso de intercambio, cuando un protón emite un mesón pierde su carga eléctrica y se convierte en un neutrón. El neutrón, al emitir un mesón se convierte en un protón; a su vez, el protón acepta un mesón negativo y se convierte en un neutrón y así sucesivamente. (Gráficamente puede imaginarse la unión entre dos personas, cuyo vínculo consiste en lanzarse mutuamente una pelota, a una cierta distancia. Para un observador exterior que no vea la pelota, existe algo que los mantiene en sus posiciones, unidos) En 1937, Anderson y Neddermeyer descubrieron en los rayos cósmicos una partícula que parecía tener la masa que predecía Yukama. Sin embargo, esa partícula interaccionada muy débilmente con los nucleones. Sin embargo, en 1945, el físico británico C.F.Powell, analizando cuidadosamente los rayos cósmicos a gran altura (montañas y globos) encontraron un nuevo mesón de mayor masa, que interaccionaba fuertemente con los núcleos atómicos que se encontraban en su trayectoria, desintegrándose fácilmente. El mesón pesado se denominó mesón pi o pión, y era la partícula que Yukawa había previsto. Estos piones se producen en las altas capas de la atmósfera por la acción de los rayos cósmicos y se desintegran en los mesones más ligeros detectados por Anderson y Neddermeyer. Se les denominó a estos mesones ligeros mesones mu, o muones. Cuando con un espectrógrafo de masas se mide la masa de un núclido se observa que esta es algo menor que la suma de las masas de los nucleones que lo forman. La energía correspondiente a este defecto de masa m o energía de empaquetamiento o energía de enlace, que aparece por el hecho de formar (el núcleo) una estructura, es enorme, y viene dada por la expresión: E= m c 2 (c= velocidad de la luz) Esta energía es equivalente a la que se necesitaría para separar los núcleos a una distancia tal que desaparezca la interacción entre ellos. Como ocurre con los electrones, cuando se excita un núcleo atómico por colisión de alguna partícula, por absorción de radiación o por alguna otra causa, algún nucleón cambia su estado, del natural de mínima energía a otro de mayor energía (excitado) Cuando cese la excitación, el nucleón regresa a su nivel inicial, dando lugar al correspondiente espectro. El estudio de estos espectros indica que los nucleones también se encuentran ocupando diferentes niveles de energía (aún cuando la energía correspondiente a cada nivel es millones de veces mayor que en el caso de los electrones) En la actualidad, se conocen más de mil núclidos diferentes, de los cuales 284 son estables. Estos últimos pertenecen a 83 elementos, desde el hidrógeno al bismuto. Veinte de ellos tienen un solo núclido, mientras que los otros tienen dos o más (núclidos isótopos). El estaño contiene 10 núclidos. En la mayoría de los núclidos estables (excepto el del hidrógeno y el del helio), el número de neutrones es siempre igual o mayor que el de protones. 44

13 Radiación nuclear En 1986, Henri Becquerel descubrió que el mineral de uranio emitía una radiación similar a los rayos X. En 1904, E. Rutherford y E. Soddy habían descubierto una veintena de elementos radiactivos naturales. Del estudio de estas radiaciones se llegó a determinar la existencia de tres tipos diferentes, a los que se llamó rayos α, rayos β y rayos γ. Cuando se estudió el comportamiento de estos rayos bajo la acción de campos eléctricos y magnéticos se comprobó que los rayos β eran similares a los catódicos, y por tanto, electrones (partículas, no rayos), mientras que los α se identificaron con núcleos de átomos de helio (ambos eran desviados por campos eléctricos en direcciones opuestas) Los rayos γ no eran desviados, y además eran muy penetrantes, pues podían traspasar gruesas láminas de metal. En 1914 se demostró que los rayos γ eran una auténtica radiación, similar a los rayos X, y se midió su longitud de onda. (En la actualidad, las denominaciones correctas son partículas α y β y rayos γ) La emisión de partículas α y β implican la transformación del núclido original en otros diferentes, pudiendo quedar este en estado excitado. El proceso por el cual el núclido excitado pasa a su estado fundamental de menor energía constituye la radiación γ. (Como siempre, la energía de esta radiación depende de su frecuencia (γ) y vale: E= υ h (h= constante de Planck) Los materiales radioactivos naturales sufren una cadena de desintegraciones sucesivas, cuyo resultado final siempre es algún isótopo del plomo. La identificación de las partículas β con electrones suponía una serie de contradicciones, pues no se conocía la existencia de electrones en el núcleo de los átomos. Esta contradicción se salvó admitiendo que en el proceso de emisión de partículas β, un neutrón se desintegra en un protón y un electrón, siendo ésta la partícula β emitida. En este caso, todos los electrones deberían tener la misma energía, lo cual no es cierto, puesto que el espectro de emisión de partículas β es continuo. Para salvar este problema, Pauli sugirió la presencia de otra partícula, a la que llamó neutrino, sin carga eléctrica y con una masa muy pequeña y con capacidad para transportar energía (así, la energía total de la emisión β se distribuiría entre el electrón y el neutrino, en diferentes proporciones) En el año 1956 pudo demostrarse experimentalmente la existencia de esta partícula. El último paso en el conocimiento de la estructura de los núcleos atómicos viene de la mano de la radioactividad artificial (rotura de los núcleos provocada por el bombardeo de los mismos con partículas α, neutrones u otras formas. Como resultado de estos ensayos, en 1933 los esposos Joliot-Courie, al bombardear átomos ligeros (boro, magnesio y aluminio) con partículas α observaron que se producían protones y neutrones, además de otra partícula de la misma masa del electrón y cuya carga es igual a la de este pero de sentido contrario, o la que llamaron positrón. 45

14 Además, comprobaron que los elementos utilizados como blanco seguían emitiendo positrones después de cesar el bombardeo con partículas α. Es decir, se comportaban como sustancias radiactivas. Se había descubierto la radiactividad artificial. Antimateria Aparte del antielectrón o positrón, también se ha detectado antipartículas correspondientes al protón y al neutrón, mediante la colisión de protones fuertemente acelerados con núcleos de cobre (en la Universidad de California, en 1950, utilizando un potente acelerador de partículas allí desarrollado) Se denominaron antiprotón y antineutrón. En todos los casos, las antipartículas tienen una vida efímera, y se aniquilan tan pronto se encuentran con su homóloga original. Naturaleza ondulatoria de la materia En 1926, Davisson y Garmer, y posteriormente G.P.Thonson consiguieron experimentalmente, y por métodos distintos, difractar un haz de electrones, y demostrar así su naturaleza ondulatoria. Experiencias posteriores han demostrado que también los protones, los neutrones y todas las partículas subatómicas presentan este comportamiento ondulatorio. De acuerdo con estos experimentos la materia, al igual que la luz, presenta un doble aspecto: uno ondulatorio, caracterizado por una longitud de onda λ y una frecuencia υ, y otro corpuscular, caracterizado por su energía E: h υ y su cantidad de movimiento p= h/λ. Interacción entre los componentes del átomo Desde un punto de vista muy general, las interacciones que ocurren entre los diferentes componentes (por ahora conocidos) de los átomos, y que hace que estos tengan una estructura, son de cuatro tipos: Interacción gravitacional: Afecta a todas las partículas, atrayéndose entre ellas. Su alcance es muy limitado (por sus pequeñas masas y las cortas distancias) y su origen es un misterio. Interacción electromagnética: Actúa sobre las partículas que tienen carga eléctrica (atrayéndose o repeliéndose, según las cargas sean de diferente o igual signo). Su radio de acción es ilimitado, y su origen otro misterio. Interacción fuerte: Llamada interacción nuclear, es la que une a los nucleones en el núcleo. Se transmite por medio de intercambio de mesones, y su radio de alcance es muy corto, del orden de 10 3 cm. Su origen también desconocido. Interacción débil: Tiene menor alcance que la fuerte (menos de cm), y su origen es aún mucho más misterioso. En resumen, del átomo sólo se conocen algunos de sus componentes (pues presumiblemente aún quedan otros por descubrir), su estructura (hasta cierto punto) y la descripción de las interacciones (fuerzas, en algunos casos) que los mantienen unidos. A pesar de los potentes medios tecnológicos disponibles, la naturaleza del átomo sigue presentando grandes incógnitas, lo cual supone en continuo reto para científicos y tecnólogos. 46

15 La unión entre los átomos: cristales y moléculas Todas las sustancias puras, sean elementos o compuestos, están formadas por agrupaciones de átomos, unidos entre sí por diversos tipos de enlaces : iónico, covalente y metálico. La capacidad que tiene un átomo para unirse a otro (u otros) se denomina valencia. Ésta es el número de electrones que es capaz de ganar (electrovalencia negativa) o compartir (electrovalencia positiva) con el fin de alcanzar (el conjunto) una estructura estable (la última capa de electrones completa) El enlace iónico se da entre átomos que tienen facilidad para ganar o perder un electrón de su última capa, convirtiéndose así en iones negativos o iones positivos, respectivamente (átomos que les falta un electrón para completar la última capa, o que sólo tienen un electrón en ella) Los iones formados, al tener carga eléctrica diferente, se atraen electrosticamente (fuerza de Conlomb) y así quedan unidos, enlazados. Como cada ión crea un campo eléctrico a su alrededor tiende a rodearse de iones de signo contrario, por lo que no se forma una sola molécula, sino una red (red cristalina). Las fuerzas de enlace electroestáticas son relativamente altas, por lo que estos compuestos, además de ser sólidos, tienen una gran dureza. Existen relativamente pocas sustancias que presentan este tipo de enlace. Nivel M Nivel M Subnivel s Na Subnivel p Cl Subnivel s Na + Cl - Figura Enlace iónico del cloruro sódico 47

16 El enlace covalente consiste en la compartición de electrones de la última capa, de dos átomos, para conseguir en ambos una configuración estable. Cada par de electrones comunes define un enlace. Los átomos están muy próximos entre sí (más que en el caso del enlace iónico) y las fuerzas de enlace son más intensas. Como resultado de estos enlaces se forman moléculas independientes (y no redes, como era el caso del enlace iónico) La unión entre estas moléculas independientes se establece por interacciones moleculares de tipo cohesivo (fuerzas de Van der Waals) y son muy débiles, o no existen en la práctica. Como resultado, este enlace es el que presentan las sustancias líquidas y gaseosas a temperatura ambiente (algunos son sólidos, pero con un punto de fusión muy bajo) Cuando los dos átomos que se unen son iguales la distribución de cargas eléctricas es simétrica, el enlace se llama homopolar, y la molécula resultante es eléctricamente neutra (figura 2.12) Molécula de oxígeno Figura Enlace homopolar Sin embargo, si la distribución de cargas no es simétrica, la molécula resultante es bipolar (dipolo), en la cual los centros de la cargas positivas y negativas están desplazados (figura 2.13) Hidrógeno Mayor densidad electrónica - Menor densidad electrónica + Oxígeno Hidrógeno Figura Enlace bipolar 48

17 En general son muy pocas las sustancias que presentan enlaces iónicos o covalentes puros. Lo más normal es que participen simultáneamente de ambos, lo que se conoce como estructura resonante. De esta forma, una misma molécula participa a la vez de las dos formas de enlace. El enlace metálico se caracteriza porque los átomos se agrupan formando redes cristalinas compactas (de tipo hexagonal, cúbica centrada en las caras y cúbica centrada en el centro), con los nudos ocupados por los átomos del metal. Todos los átomos están ionizados positivamente (cationes), pues cada uno de ellos ha cedido uno o varios de sus electrones de valencia. Estos electrones cedidos son comunes a todos los átomos, comportándose como una nube o gas que los envuelve. La red cristalina mantiene su estabilidad por medio de las acciones mutuas entre los iones metálicos y la nube electrónica. (Esto explica la gran movilidad de los electrones en los metales y consecuentemente, su alta conductividad eléctrica) Movimiento molecular Cualquiera que sea el tipo de enlace, los átomos (y las moléculas) no permanecen fijos en sus posiciones, sino que oscilan más o menos fuertemente alrededor de su posición de equilibrio. Estas oscilaciones se incrementan si a la sustancia se le comunica energía desde el exterior (por ejemplo, térmica, calentándola) La materia a nivel macroscópico A nivel macroscópico, la materia puede presentarse en tres estados de agregación (en condiciones normales, no excitada): sólido, líquido y gaseoso. La materia en estado sólido se caracteriza por tener una forma y un volumen propios, como resultado de las fuertes uniones entre sus moléculas (como se vio en el punto anterior, están formados por enlaces de tipo iónico, metálico y otros) Los sólidos (a diferencia de los líquidos y los gases) poseen propiedades direccionales, estructurales. Así, pueden ser cristalinos (las moléculas que lo componen están ordenadas según ciertos direcciones espaciales regulares) y amorfos, no cristalinos. Los primeros son anisótropos, de manera que propiedades como la dureza, elasticidad, conductividad eléctrica, etc., dependen de la dirección, mientras que los segundos son isótropos, con idénticas propiedades en todas direcciones. La materia en estado líquido se caracteriza por poseer un volumen definido, pero no una forma definida (adopta la forma del recipiente donde se encuentra dos líquidos son perfectamente elásticos y extremadamente incomprensibles) Las moléculas de un líquido, formadas por enlaces covalentes, se encuentran sometidos a débiles fuerzas de atracción entre ellas (atracción electroestática débil entre las moléculas bipolares, o pequeñas deformaciones 49

18 instantáneas acaecidas en las moléculas no polarizadas, que las polarizan momentáneamente), dando lugar a una resistencia a la tracción (muy débil) y a la cizalladura (viscosidad) También existe fuerza de atracción entre los líquidos y el medio circundante, dando lugar a los fenómenos de tensión superficial (atracción entre el líquido, el aire y las paredes del recipiente) y a la difusión (tendencia a esparcirse uniformemente por el sólido soporte) La materia en estado gaseoso se caracteriza por carecer de forma y de volumen (adopta la forma del recipiente que lo encierra y lo ocupa en su totalidad) Los gases son perfectamente elásticos y extremadamente comprensibles. Las moléculas que componen los gases, con enlaces covalentes, se encuentran sometidos a fuerzas de atracción muy débiles, o inexistentes. Las únicas interacciones son los choques entre sí. Las moléculas de los gases se encuentran en continuo movimiento, describiendo trayectorias rectilíneas (pero en direcciones aleatorias) hasta que chocan elásticamente entre ellas, o contra las paredes del recipiente que las contiene. Precisamente a este choque contra las paredes se las denomina presión del gas. Depende, del número de choques por unidad de tiempo (número relacionado con el número de moléculas presentes en el recipiente) y de la velocidad de tales moléculas (su energía cinética) Este comportamiento de los gases explica la Ley de Boyle-Mariot, según la cual la presión del gas aumenta a medida que el volumen encerrado disminuye (suponiendo que no hay modificación de la temperatura). En efecto, al disminuir la distancia entre las paredes, y mantener las moléculas su velocidad, las distancias recorridas por estas son muy cortas, con lo cual el número de impactos (por unidad de tiempo) contra la pared se incrementa. Figura Aumento de la presión de un gas al disminuir el volumen A un nivel medio más general, la materia se agrupa en cuerpos celestes, desde planetas, satélites, estrellas, sistemas solares, galaxias y sistemas de galaxias, sin olvidar la materia difusa, o materia oscura existente en el universo. De esta forma queda íntimamente ligado lo infinitamente pequeño con lo infinitamente grande. En el cuadro siguiente se expone una visión comparativa de los tamaños de la materia. 50

19 10 27 Universo Conjunto de galáxias Vía Láctea sistemas solares Conjunto de sistemas solares próximos Sistema solar 10 9 Dos esferas: Tierra y Luna 10 6 Esfera terrestre 10 4 Gran Ciudad 10 1 Casa de 3 plantas 10 0 Niño 10-3 Grano de arena 10-6 Célula 10-9 Moléculas Átomo (núcleo y electrón) Núcleo (neutrones y protones) Protón (3 quarks y gluones) Figura Los tamaños de la materia 2.3. La energía Generalidades Para entender el concepto de energía en toda su profundidad es preciso relacionarla con la materia pues ambas, materia y energía, van indisolublemente unidas. En este punto se verá la energía asociada a los átomos (tanto a sus capas de electrones como a su núcleo), así como la asociada a los enlaces químicos (cristales y moléculas) A partir de este análisis se efectuará un estudio de la energía a nivel macroscópico, lo que podría denominarse energía de la materia Energía y átomos En los átomos, la energía está contenida en los electrones y en el núcleo. En el caso de los electrones, su energía está cuantizada, de acuerdo a los diferentes niveles en que cada uno se encuentra situado. Cuando al átomo se le comunica energía externa (por ejemplo, calentándolo en un tubo de descarga) sus electrones son excitados, e incrementan sus niveles de energía (el diámetro de sus órbitas). Cuando cesa la energía exterior, los electrones regresan a sus posiciones originales, emitiendo en forma de radiación elec- 51

20 tromagnética (luz visible o no) la energía recibida. El espectro de emisión, no continuo, es típico de cada átomo. La energía cedida (igual a la absorbida) viene dada por la expresión: E=h υ Siendo h la constante de Planck 6, J S y υ la frecuencia de la onda de emisión. El mecanismo de excitación puede ser variado, incluyendo una radiación electromagnética, como se comprueba en el efecto fotoeléctrico. En este caso, al incidir la radiación electromagnética sobre una superficie metálica se desprenden electrones. Ello es debido a que la radiación electromagnética también está formada por cuantos de energía, que son los fotones. Los fotones, de energía E=h υ impactan sobre los electrones del átomo, le ceden su energía y los excita hasta el punto que escapan del metal a gran velocidad (la energía del fotón se emplea en sacarlo del metal e incrementar su energía cinética) Igualmente ocurre en el caso de elementos no metálicos, que al ser excitados (suministrándole energía externa por cualquier procedimiento) pierden su electrón y se convierte en un ión positivo. La energía necesaria para que esto ocurra se denomina energía de ionización. La energía encerrada en los núcleos de los átomos es mucho mayor que la contenida en sus electrones, como se demuestra el hecho de que se necesita suministrar ingentes cantidades de energía para excitar (para romper) los núclidos. Estos núcleos están compuestos por una gran variedad de partículas subatómicas, como se vio al estudiar la materia. Cuando se mide con un espectrógrafo de masas la masa del núclido se ve que su valor es menor que la suma de las masas de los nucleones que lo forman. Es lo que se conoce como defecto de masa. La energía correspondiente a ese defecto de masa es la que se precisa para separar los neuclones (romper el núcleo), y vienen dada por: E= m c 2 (c = velocidad de la luz) Se denomina energía de empaquetamiento o energía de enlace, y es enorme. Para el nucleón del Níquel, por ejemplo esta energía vale 8, J/kg. Al igual que ocurre con los electrones, los núcleos también cambian sus niveles de energía cuando son excitados (por potentes colisiones, radiaciones electromagnéticas u otros mecanismos). Cuando cesa la excitación regresan a sus posiciones de partida y devuelven la energía recibida mediante radiaciones electromagnéticas con sus correspondientes espectros. Pero la absorción (y correspondiente emisión) de energía por los núcleos presenta características muy particulares en algunos elementos, los denominados radiactivos. 52

21 En ellos, la radiación emitida después de una excitación está compuesta no sólo por radiación electromagnética (onda fotón), sino también por partículas α (núcleos de helio) y β (electrones). El resultado es que después de la emisión de las partículas α y β el elemento cambia de naturaleza, se desintegra, se transmuta en un átomo diferente. La diferencia entre la energía contenida en el núcleo inicial y en el nuevo equivale a la contenida en las partículas α y β emitidas (energía de escape más cinética) y radiación electromagnética γ (correspondiente a su particular longitud de onda) En algunos casos (con algunos materiales como el uranio), esta transmutación es mucho más profunda y violenta, la denominada fisión nuclear. Cuando un núcleo de uranio, por ejemplo, es impactado por un neutrón lento, el átomo del uranio se rompe en dos mitades, cada uno de los cuales conforma el núcleo de un átomo de Kriptón. En la ruptura se liberan 3 neutrones y se desprende una gran cantidad de energía (en forma de partículas α y β fuertemente aceleradas y radiación γ) Energía y cristales y moléculas La formación de un enlace entre dos átomos es un proceso que implica una variación de la energía contenida en los átomos originarios. Si la energía de la sustancia resultante es menor que la de los originales, el enlace implica una emisión de energía y en caso contrario se necesitaría suministrar energía externa para que el enlace tenga lugar. Esa diferencia de energía (positiva o negativa) constituye la energía de enlace. En el caso de enlaces iónicos (con la formación de redes cristalinas) la energía de red es la diferencia de energía entre la de los átomos originales y la de la red cristalina resultante. En estos casos, cuanto menor es la energía de red, más estable es el componente iónico. (Por ejemplo, la formación de 1 mol de Cloruro Sódico, partiendo de sodio y cloro moleculares, implica un intercambio de energía de -787,4KJ, es decir, energía excedentaria, que se libera al exterior se dice que la radiación es esotérmica-) Todos los cuerpos poseen la energía asociada a sus enlaces moleculares y a la de sus núclidos y nube de electrones. Se denomina energía interna U Energía y materia En la medida que la materia, a nivel macroscópico (incluyendo en este concepto los planetas, estrellas y galaxias), está compuesta por moléculas, y éstas a su vez por átomos, todos los conceptos analizados hasta aquí son aplicables a la materia en sus diferentes estados de agregación. Sin embargo, a escala macroscópica, o mejor, a escala de uso, la energía se manifiesta de cinco modos diferentes: Energía gravitacional: Es la energía que se manifiesta por la atracción de dos masas entre sí, sean dos cuerpos celestes (la Tierra y la Luna, por ejemplo), dos masas cualquiera, o dos neutrones. La causa de esta atracción es aún un misterio. 53

22 La realidad es que cada masa crea a su alrededor un campo gravitatorio, que atrae a cualquier otra masa que caiga en su campo de acción. r F 21 F 12 M 1 M 2 M 1 M F =k 2 r 2 Figura Energía gravitacional. La fuerza con la que se atraen es directamente proporcional al producto de las masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas. (Figura 2.16) Un caso particular es la energía potencial gravitatoria, o sea, la atracción de la masa Tierra sobre cualquier otra masa en su cercanía (un satélite artificial) o en su superficie (en el caso de una persona, esta fuerza es el peso de la misma) La energía potencial gravitatoria de un cuerpo de m kg de masa, situado a una altura de h metros, sobre la superficie terrestre, es: Energía = fuerza x distancia Energía potencial = peso x altura = m g h viniendo w en Julios, m en kg, h en metros y g (aceleración de la gravedad) en m/s 2. Energía cinética: Es la energía implícita en una masa en movimiento. Para una masa m, que se desplaza a la velocidad v, la energía cinética vale la mitad del producto de la masa por el cuadrado de la velocidad. (Figura 2.17) W = ½m V 2 W viene en Julios, la masa en Kg y la velocidad en m/s. 54

23 M v Un caso particular de la energía cinética en la energía térmica. Como se ha visto, todos los cuerpos están formados por conjuntos de moléculas, que según el grado de movilidad entre ellas pueden adoptar forma sólida, líquida o gaseosa. En la forma gaseosa, las moléculas tienen total libertad para moverse. Cuando se les suministra energía se mueven más rápido (incrementan su energía cinética) y el gas se dice que está más caliente (que tiene más temperatura) (Figura 2.18) En el caso de líquidos ocurre algo parecido al gas, aún cuando la movilidad de las moléculas por todo el volumen está más limitado. En el caso de sólidos, la aportación de energía cinética (térmica) desde el exterior excita las moléculas, que se ponen a vibrar más o menos intensamente alrededor de la posición de equilibrio en la estructura original. (La sensación de calor que se tiene cuando el aire está caliente se debe al choque de las moléculas de aire agitadas con las de la piel, las cuales también incrementan su energía cinética oscilando más o menos intensamente alrededor de sus posiciones de equilibrio, puesto que la piel es sólida- produciéndose un aumento de la temperatura de la superficie corporal, dando lugar a la sensación de calor) Si se toca un metal caliente, las fuertes vibraciones (energía cinética) de las moléculas de la superficie son transmitidas a la piel, haciendo que las moléculas de este se pongan a vibrar más intensamente (sensación de calor) En todos los casos, la energía cinética se transfiere de las partículas más rápidas (de más energía) a las más lentas. En el caso del calor, de la temperatura más alta a la más baja. Cuando en un gas (o en un cuerpo cualquiera) sus moléculas no se mueven, se dice que la temperatura es de 0 grados Kelvin o cero absoluto (lo corresponde a 273ºC) Energía electroestática: 1 E = M V 2 Figura Energía cinética Es la energía que se manifiesta por la atracción (o repulsión) de dos cargas eléctricas entre sí. (Si son de diferente signo se atraen y son del mismo signo se repelen) 2 Gas poco caliente. (Movimiento molecular lento) Gas muy caliente. (Movimiento molecular rápido) Figura Energía cinética en los gases El valor medio de la energía cinética de todas las partículas en movimiento (moléculas que constituyen un cuerpo) es la temperatura del mismo. El cero absoluto de temperatura correspondería a un cuerpo en que todas sus partículas estuvieran en reposo. 55

24 La causa de esta fuerza es también un misterio. La realidad es que un cuerpo cargado positivamente (o negativamente) crea a su alrededor un campo eléctrico que atrae (o repele) a cualquier otra carga eléctrica que se encuentre en su radio de acción. r q 1 (+) F 21 F 12 q 2 (-) q 1 q F =k r 2 2 Figura Energía electroestática Experimentalmente se ha comprobado que esta fuerza es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. (Figura 2.19) La energía química (entendida como la que mantiene unidos entre sí a los átomos que conforman una molécula, o a varias moléculas entre sí formando cuerpos) no es más que una forma particular de la energía electroestática. Cuando un combustible es quemado (reacciona con el oxígeno), la energía química de sus componentes se transfiere a energía química de otros componentes distintos (nueva distribución de las cargas eléctricas), y además, a estos se les imprime fuertes movimientos vibratorios (aumento de la temperatura) si la reacción es exotérmica. Energía electromagnética: Es la energía asociada a una carga eléctrica en movimiento. Su origen es otro misterio, pero la realidad es que una carga eléctrica en movimiento (o un conjunto de estas formando una corriente eléctrica, por ejemplo), crean a su alrededor un campo electromagnético, que actúa no sólo sobre cargas eléctricas, sino también sobre imanes (cuerpos magnetizados) q (-) v Figura Energía electromagnética Teniendo en cuenta que la materia está compuesta de electrones y estos están en movimiento, todos los cuerpos irradian energía electromagnética en más o menos cantidad (al tiempo que también la reciben, si se encuentran en equilibrio) 56

25 Los campos electromagnéticos tienen naturaleza ondulatoria, variando su intensidad tanto a lo largo del espacio como del tiempo (para un mismo punto del espacio) LONGITUD DE ONDA EN METROS Rayos Rayos X Ultravioleta Visible Infrarojo Microondas Ondas de Radio Gama 400 nm 500 nm 600 nm 700 nm LONGITUD DE ONDA EN NANOMETROS Figura Esquema del espectro electromagnético La energía electromagnética recibe diversos nombres en función de la longitud de la onda portadora: microondas, ondas de radio, rayos x, infrarrojos, ultravioleta, luz visible (formada por un conjunto de frecuencias que van desde el rojo hasta el azul), etc. Energía nuclear o energía atómica: Es la energía almacenada en los núcleos de los átomos, en el momento de su formación. Son los que mantienen unidos los protones y los neutrones (fuerzas nucleares fuertes y débiles), y también constituye otro misterio su existencia. Figura Energía nuclear o atómica Aún cuando las formas, las manifestaciones últimas de la energía en el universo, son las cinco mencionadas, en la práctica del lenguaje cotidiano (producto de la evolución del conocimiento y el uso de la energía), la energía recibe multitud de nombres, entre los que destacan: energía potencial, energía térmica (vulgarmente, y erróneamente, denominada calorífica ), energía mecánica (suma de energía cinética y potencial de un cuerpo), energía eléctrica, etc. 57

26 Algunos de estos términos pueden considerarse correctos, desde el punto de vista de reflejar un auténtico tipo de energía, pero otros no lo son, debiendo considerarse más bien como una forma en que esta es transmitida desde un punto a otro; lo que se conoce vector energético. En este contexto merecen una explicación adicional las que se conocen como energía calorífica y energía eléctrica. La energía eléctrica no es más que el flujo de electrones en el seno de un conductor. El origen del movimiento de los electrones puede ser un generador eléctrico (accionado por una fuente de energía externa), una pila eléctrica (a partir de una reacción química), una fuente de calor (termopar), etc. A su vez, la energía transportada por tal corriente de electrones se transforma en otros tipos de energía, como puede ser electromagnética (iluminación), térmica (calefacción), mecánica (mover un motor eléctrico), etc. En definitiva, la electricidad no es energía en sí misma, sino un medio para transportar la energía. En cuanto a la energía calorífica, esta no es tal, sino mas bien el flujo de energía térmica (cinética) de un cuerpo a una cierta temperatura, a otro cuerpo a temperatura mas baja. (Así como lluvia es el agua que cae de la nube sobre la tierra, y a nadie se le ocurre decir que un pantano tiene x m 3 de lluvia, el calor, que es el flujo de energía térmica, no puede conducir a decir que un cuerpo contiene calor ) Debe quedar claro que la diversidad de nombres no quiere decir que exista diversidad de energías. Se trata de diversas manifestaciones del mismo poder ; del mismo concepto Definición de energía Por lo visto hasta ahora, en todos los procesos que suponen cambios en la materia (sea a nivel nuclear, atómico, molecular o macroscópico) está involucrada la energía, unas veces absorbiéndola (quedando atrapada dentro de la materia, que alcanza así un nuevo estado) y otras cediéndola al exterior (obviamente, a otra materia, como puede ser las moléculas del aire circundante), quedando la materia con un nivel energético más bajo. Todo esto conduce a definir la energía como la capacidad que tiene un cuerpo o sistema para producir transformaciones, modificando su estado o su situación, o el estado o situación de otros sistemas con los cuales interactúa Las transformaciones de la materia y de la energía Generalidades Se ha visto que la energía es la capacidad que tiene la materia para realizar transformaciones, bien dentro de un mismo cuerpo, bien entre varios. Estas transformaciones de la materia pueden ocurrir a nivel atómico (tanto en su núcleo como en los electrones que le rodean), a nivel molecular 58