Fasciculo36 El Mundo de La Quimica

8/14/2019 Fasciculo36 El Mundo de La Quimica

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Fascculo 36

En algunas plantas de electricidad se quema combustible

fsil para generar energa trmica, que luego esreconvertida en energa elctrica y transmitida a sus centrosde consumo. All, la electricidad as generada es utilizadapara poner en marcha un sinfn de aplicaciones, talescomo: generar luz, energa trmica para calentar elambiente o algunos alimentos, enfriar el ambiente o poneren marcha las neveras, etc. En este mismo sentido, enlos automviles, independientemente de su vistosidad, laenerga trmica producida por la combustin dehidrocarburos es transformada por una serie de dispositivosen el trabajo mecnico necesario para su movilizacin yfuncionamiento.

Captulo XI. La indispensable energa

El mundo de la qumica

Una de las primeras plantas deelectricidad, cuya energa proviene decombustibles fsiles (Colorado, EE.UU.).

Cuando ocurren reacciones qumicas favorecidastermodinmicamente, como las que tienen lugar en lacombustin de una mezcla de hidrocarburos, los reactantesreacomodan sus contenidos formando molculas de mayorestabilidad, por ejemplo, CO2 y H2O, liberando energa enel proceso.

Pero, qu es la combustin? Qu productos se formancuando se queman los combustibles derivados del petrleo?Cunta energa interviene?

Una ecuacin qumica que ejemplifica estos procesos esla siguiente:

En este caso se est quemando un alcano en presenciade oxgeno.

Demuestra tu destreza balanceando la ecuacin.

___C3H8 (g) + ___O2(g) ___CO2(g) + ___H2O(g); energa trmica (calor)

Planta termoelctrica.


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Fundacin Polar ltimasNoticias El mundo de la qumica Captulo XI. La indispensable energa fascculo 36

La energa trmica que se produce depende directamente deltipo de sustancia y de la cantidad de sta que se queme. De allque la masa molar y la masa del hidrocarburo sean los factoresa considerar para obtener determinada cantidad de energa.

En el caso de los productos derivados del petrleo, tal y comose mencion anteriormente en distintas ocasiones, el contenido

molecular de cada fraccin o mezcla determina la magnitud delcalor liberado y su posible aplicacin. En todos estos casos, lasreacciones de combustin son exotrmicas.

La energa desprendida por la formacin de los enlaces en lasmolculas de los productos (dixido de carbono gaseoso y vaporde agua), es mayor que la energa requerida para romper losenlaces en las molculas reaccionantes del alcano y el oxgenogaseoso, ya que la reaccin, al ser exotrmica, proporcionaenerga que puede ser utilizada. La reaccin debe ser iniciadacon una chispa, pero luego de iniciarse procede sin detenerse.Es por ello que es muy difcil controlar un incendio en pozospetroleros o instalaciones de almacn de combustibles.

Energa trmica

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Los combustibles fsiles, y en particular el petrleo, impulsanliteralmente a las sociedades industrializadas. Pero, y siemprehay un pero, el suministro de petrleo no es ilimitado nibarato. As pues, siempre ser muy importante tanto el tratar

de maximizar la eficiencia en el aprovechamiento de laenerga producida, utilizando este tipo de reacciones qumicasde combustin de hidrocarburos, como el reducir la necesidadde su consumo e incentivar la generacin de fuentes alternasde energa menos contaminantes y ms eficientes.

Sugerencia

Cmo sera la vida sin el petrleo como combustible? En1977, la revista Time pidi al escritor de ciencia ficcin IsaacAsimov que describiera un mundo as. Asimov decidi situarsu prediccin veinte aos en el futuro: en 1997.

Lee a este excelente autor de ciencia ficcin para que tengasuna idea.

Para pensar

El etano (C2H6) libera 1,6 x 103 kJ de energa en forma de calor por cada mol que se quema.

El propano (C3H8) libera 2,2 x 103 kJ por mol. Si el combustible se expende por kilogramo,

cul resulta ms econmico?

Escribe la ecuacin balanceada de la combustin de cualquiera de los dos alcanos mencionados.

Si tienes dudas comparte tus respuestas con tu profesor.

Incendio en plataforma petrolera.Mar del Norte.

Instalacin con paneles solares paraaprovechamiento de energa.


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Utilizando la luz recin llegada

La energa radiante est constituida por un conjunto deradiaciones electromagnticas llamado espectroelectromagntico. Cada radiacin posee una frecuencia,una longitud de onda y la misma velocidad de propagacinen el vaco. De mayor a menor longitud de onda, lasprincipales radiaciones son: ondas de radio, microondas,infrarrojo, visible, ultravioleta, rayos X y rayos .

Entender el concepto de energa relacionado con la luz tom untiempo importante en el desarrollo de la fsica y de la qumica.La naturaleza de la luz como energa, fue vislumbrada gracias alos aportes de la teora de Max Planck. En 1900, Planck expuso

su teora cuntica sobre la emisin y captacin de la energaradiante, la cual estableci que la energa emitida o absorbidapor un cuerpo es un mltiplo entero de un valor muy pequeo, alque denomin: cuanto de energa.

Los fotones o cuantos de energa fueron reconocidos gracias altrabajo realizado por Albert Einstein para encontrarle unaexplicacin al efecto fotoelctrico. Los fotones tienencomportamiento dual: se propagan como una ondaelectromagntica e interactan con otras partculas como si fuerancorpsculos portadores de energa.

De acuerdo con Planck, la energa de radiacin (E) se relaciona

con la longitud de onda mediante la ecuacin:

Puedes ver que mientras ms pequea es , mayor es la energade la radiacin. Si en la ecuacin anterior colocamos, por ejemplo,la longitud de onda ms pequea, la de las radiaciones (gamma),se obtiene el valor de energa ms alto y es por ello que son tanpeligrosas para el ser humano.

E = hc/h constante de Planck = 6,62 x 10-34 J/s longitud de onda

Ya antes dijimos que la luz del Sol es la fuente natural de energa ms importante sobre la Tierra. Una fuente deluz es aquella que emite radiacin en el rango visible del espectro. Es por ello que el Sol y las estrellas constituyenfuentes naturales de luz. Las fuentes artificiales son creadas por nosotros: la luz elctrica, las lmparas de gas ylas velas, entre otras. Es importante destacar que el Sol, adems de proporcionarnos luz en el estrechsimo intervalovisible, tambin nos irradia energa en un amplio intervalo de otras frecuencias.

Planck y Einste in.

Afiche alegrico a la Ley de Radiacin de Planck.Universidad de Ulm, Alemania.

10-410-510-610-710-810-9

1012101310161017

103 102 10 100 10-1 10-2Energa (eV)

Frecuencia (Hz)

Longitud de onda (m)

Radiacin solar

10141015

Visible

InfrarrojoUltravioleta


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La radiacin solar que llega a la superficie de la Tierra esel resultado de la accin filtrante de la capa de ozono, lacual elimina el componente energtico por debajo de los290 nm de longitud de onda. Es as como la vida sobrenuestro planeta se mantiene en presencia de la radiacinultravioleta, visible e infrarroja.

La radiacin ultravio leta del rango UV-B y UV-A en excesopuede resultar daina produciendo, entre otras afecciones,cncer de piel. Sin embargo, la radiacin ultravioleta tambinpermite combatir trastornos depresivos, as como sintetizarvitamina D, importante para el crecimiento y la salud de loshuesos.

La radiacin visible es muy importante para la vida por suparticipacin en la fotosntesis.

La clorofila, responsable del color verde de las plantas,interacta con fotones de luz visible y absorbe la energaque ser utilizada en la transformacin de CO2 y agua englucosa y oxgeno, ambos esenciales para la vida sobre el

planeta. Es importante recordarte que la clorofila es verdepero no absorbe este color sino que lo refleja, por eso lavemos verde; el color que absorbe es el complementariodel verde: el rojo. Es este color el que se relaciona con lafotosntesis, cuyo complejo proceso se puede resumir en lasiguiente ecuacin:

Ese proceso no est favorecido energticamente porque esendotrmico, ni entrpicamente pues aumenta el orden (seobtiene un slido formado por molculas de glucosa muyordenadas). Esto significa, que para que la fotosntesis

ocurra se requerir que el medio se desordene y as aportela energa necesaria. Adems, es necesario que el sistemadisponga de la forma de captar y manejar eficientementeesta energa para lograr el producto. La mitad,aproximadamente, de la energa almacenada, va a serconsumida en la respiracin del auttrofo y slo la otra mitadestar disponible para continuar la cadena.

La radiacin infrarroja y la microonda son las responsablesde mantenernos calientes, ya que al contacto con la materiaproducen cambios que se traducen en liberacin de energatrmica. La variacin en la incidencia de los rayos del Solen diferentes estaciones del ao, as como la duracin de

los das, determinan los cambios de temperatura que generanlos vientos y stos la energa elica.

En la bsqueda de fuentes de energa menos contaminantesque las fsiles, se ha considerado la energa solar comouna alternativa importante, siendo una de sus ventajas quees un recurso que no se agotar por varios miles de aos.Su mayor desventaja es la discontinuidad en la disponibilidad,ya que depende de las horas de luz del da y de lasestaciones. Es por ello que se requieren dispositivos dealmacenamiento para su uso nocturno.

6 CO2 (g) + 6 H2O (l) C6H12O6 (s) + 6 O2 (g)

Radiacin ultravioleta emanada por el Sol.Imgenes tomadas por satlites de la NASA.

http://www.nasa/gov

H2O CO2

O2

Fotosistema II

Fotosistema I

CADENA

TRANSPORTE

ELECTRONES

H+

ATP

G3P

NADP+

CICLO

DE

CALVIN

ADP

Cloroplasto

NADP

RuBP

3-PGA

Ele

ctrones

Respiracin celular

Celulosa

Almidn

Otros compuestosorgnicos

Azcares

Luz

Fase lumnica Ciclo de Calvin

Proceso de la clorofila


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Fuentes de energa

En la actualidad hay numerosas reas de investigacin enqumica relacionadas con la produccin y aprovechamientode la energa. Entre ellas, sin duda alguna, la ms importantey que ya est teniendo un impacto social en ciertos pases,es el conjunto de investigaciones se est realizando para lageneracin y manejo de las celdas de combustible. Otra reaimportante es la fotoqumica.

En muchas ocasiones se utilizan fuentes energticas queproducen radiaciones, las cuales pueden ocasionar cambiosqumicos denominados reacciones fotoqumicas. Estasreacciones son eficientes y selectivas, y su aplicacin, a nivelteraputico o industrial, requiere el uso de fuentes de luzcontinua o pulsada como lmparas y/o lser. Para que lasreacciones fotoqumicas ocurran, es preciso que la luz seaabsorbida, condicin que slo se consigue en ciertas molculascon grupos funcionales capaces de absorber los fotones(cromforos).

As como los fotones pueden ser absorbidos y generarreacciones fotoqumicas, tambin algunas reacciones producenluz. La luminescencia es un proceso a travs del cual en unmaterial se produce radiacin no trmica. Ocurre por mediosdiferentes a la combustin. En este caso, los materialesabsorben varios tipos de energa y una parte de la energase emite como luz, proceso que ocurre en dos etapas:

1. La energa incidente hace que los electrones de los tomosdel material absorbente se exciten y salten de las rbitasinternas de los tomos a las rbitas exteriores.

2. Cuando los electrones caen de nuevo a su estado originalemiten luz. Cuando la luz se produce por reaccionesqumicas se llama quimiluminiscencia.

InteresanteLa bioluminiscencia es la luz que producen seres vivos talescomo las lucirnagas y algunos mariscos y moluscos oalgunas algas marinas. En el caso de las lucirnagas la luzse produce por una reaccin qumica entre el oxgeno delaire, una sustancia conocida como luciferina y la enzimaluciferasa. La fuente de energa para la reaccin es el ATP(adenosintrifosfato). La lucirnaga emite luz con la finalidadde encontrar pareja. Lo interesante es que emite luz fra,lo que no hace un bombillo.

Colector de placa planaEn los procesos trmicos los colectores de placa planainterceptan la radiacin solar en una placa de absorcinpor la que pasa el llamado fluido portador, aire, aguao agua y anticongelante. ste, en estado lquido ogaseoso, se calienta al atravesar los canales portransferencia de calor desde la placa de absorcin.Son capaces de calentar fluidos portadores hasta 82Cy obtener entre el 40 y el 80 % de eficiencia. Se usanpara calentar agua y para calefaccin. Los sistemastpicos para casa-habitacin emplean colectores fijos,montados sobre el techo.

Lucirnaga.http://www.stainstudios.com


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Interconversin entre energa qumicay energa elctrica

As como la luz puede producir reacciones y stas a su vezgenerar luz, de igual manera la electricidad puede generarreacciones qumicas, como ocurre en la electrlisis(descomposicin de sustancias por accin de la electricidad),y de la misma forma las reacciones qumicas pueden generarelectricidad, como en las bateras de los carros. Tanto en latransformacin de la energa elctrica en energa qumica comoen el caso inverso, el proceso se basa en una reaccin redox.

Para pensarEl tomo de oxgeno es ms electronegativo que el de hidrgeno. Cuando el agua se forma a partir de dihidrgeno ydioxgeno, qu tomo sufre la oxidacin y qu tomo la reduccin?, qu tomo es el oxidante y qu tomo el reductor?

La ecuacin de formacin del agua es 2 H2 + O2 2 H2O. Si cada tomo de hidrgeno puede perder un electrn,cuntos electrones puede ganar cada tomo de oxgeno? Si tienes duda comparte tus respuestas con tu profesor.

En el primer ejemplo se han formado iones, hubo una prdida y ganancia real de electrones. En el segundo ejemplo lacosa no ha llegado a tanto, ya que los electrones sern compartidos, y slo estarn desplazados hacia el tomo mselectronegativo. En el primer caso tendremos un enlace inico y en el segundo un enlace covalente polar.

Las reacciones redoxLas reacciones redox o de oxidorreduccin, consisten en queal menos un tomo pierde electrones (oxidacin) y al menosotro los gana (reduccin). As, el primero ocasion la reduccindel segundo, es un reductor, mientras que el segundo es unoxidante pues ocasion la oxidacin del primero. Parece untrabalenguas, pero tiene sentido. Algo muy importante que debestener en cuenta, es que el nmero de electrones ganados esexactamente igual al nmero de electrones perdidos.

Las reacciones redox son ms frecuentes de lo que crees. Enfascculos anteriores y en este mismo se han presentado muchasde ellas. Bastar un par de ejemplos. Comencemos con la

formacin del NaCl. El cloro tiene una electronegatividad (avidezpor los electrones) mucho mayor que el sodio, por lo que cuandose forma el NaCl, el tomo de cloro toma un electrn del tomode sodio. Se forman el anin Cl- y el catin Na+. El sodio sufriuna oxidacin y el cloro una reduccin, por lo que el cloro oxid(es el oxidante) al sodio (el reductor).

La ecuacin 2 Na + Cl2 2 NaCl, te dice que cada tomo desodio perdi un electrn y que cada tomo de cloro gan unelectrn.

Es muy importante recordarte que la reaccin de formacin delNaCl es espontnea. Si, por el contrario, quisieras descomponerel NaCl para obtener dicloro por electrlisis, entonces deberas

suministrar energa. Puedes corroborar esto en la figura anexasobre electrlisis.

Cu2Ago

Cuo

Ago

Ag+

Ag+

Ag+

NO3

NO3

Lmina de cobre

Solucin acuosa denitrato de plata

tomos de cobre sobrela superficie del metaldan 2e por tomo y formanparte de la solucin comoCu2+ (ac)

ee

Iones de plata en lasuperficie del Cutoman electronesy se transforman entomos de plata

Depsito de plata slida

Cu(s) + 2 Ag+ (ac) Cu2+(aq) + Ag (s)

Reaccin redox entre el cobre y el nitrato de plata

NO3

Cloro Incorporarsal

Sal disuelta

Mallade hierro

Ctodo de hierro

nodo de carbono

Na

ClNa+

+

Electrlisis con NaCl

NO3

NO3


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Celdas de combustible: Combustin apacible

Este fundamento es el que ha permitido el diseo de las celdas de combustible.

En ellas los electrones no se entregaran directamente de los tomos de carbonoa los de oxgeno, permitiendo de esa manera obtener electricidad y poderlatransformar en otras formas de energa. Sin embargo, an quedara el problemade la cantidad de CO2 que se produce en la reaccin que, entre otros problemas,genera el efecto invernadero. Un combustible muy especial sera el hidrgeno(H2) ya que su reaccin con el oxgeno (O2) produce slo agua adems degenerar una gran cantidad de energa, aunque es inevitable una prdida apreciableen forma de calor. Esta celda produce cerca de 280 kJ de energa por cada molde agua que se forma. De esa cantidad, alrededor de un 30 % se pierde en formade calor. Al final habr ocurrido una combustin muy apacible, sin que elcombustible arda. Finalmente vale la pena destacar a los protagonistas de laproduccin de esa energa vital para el macromundo, los cuales ms micro nohan podido ser: protones, neutrones, ncleos, fotones, electrones y otras partculas

fundamentales. Ellos son los responsables de casi todo lo que ocurre, no podraescapar de esto la energa.

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Energa elctrica y trabajoa partir de la energa qumicaLas reacciones de combustin de los combustibles fsiles son reacciones redox. En todas ellas los tomos de carbonoson oxidados por los tomos de oxgeno, lo cual es de esperarse ya que el oxgeno es ms electronegativo que el carbono.Lo mismo ocurre cuando respiramos o cuando lo hace una planta. En la naturaleza, la reaccin que representa la fotosntesistambin es redox, pero en ella ocurre lo contrario: El elemento ms electronegativo es el que pierde los electrones!, no

en balde esta reaccin requiere energa. Menos mal que habr Sol durante muchos aos.La transferencia de electrones es un proceso que involucra energa. El movimiento de los electrones genera una corrienteelctrica. La reaccin entre el Zn y una disolucin acuosa de CuSO4 en un tubo de ensayo desprende energa, esto sedebe a la transferencia de dos electrones del Zn al Cu2+. Sin embargo, como los electrones son entregados directamenteno se produce electricidad, por lo que toda esa energa se pierde en forma de calor. John Frederic Daniels (1790-1845)ide una forma de entregar los electrones a travs de un cable metlico. El movimiento de los electrones por el cablegenera electricidad que puede ser utilizada para distintos fines: iluminar un bombillo, poner a funcionar un motor, etc. As,la energa qumica de la reaccin es utilizada para producir un trabajo. Recuerda que al electrodo donde ocurre la oxidacinse le denomina nodo y al electrodo donde ocurre la reduccin se le denomina ctodo.

Sabas que?

A fines del siglo XIX se inici el proceso de descarbonizacin, que no es ms que la reduccin del nmero de tomosde carbono con relacin a los tomos de hidrgeno en los combustibles. La lea, que durante siglos fue el gran combustiblede la humanidad, posee 10 tomos de carbono por cada tomo de hidrgeno. En el carbn la proporcin es de 2 a 1. Porsu parte, en el petrleo hay 0,5 tomos de carbono por cada uno de hidrgeno, y en el gas natural se alcanza una proporcinde 0,25 a 1 (un tomo de carbono por cada 4 de hidrgeno).

Hace 150 aos, un personaje de la novelaLa isla m isterios a, de Julio Verne, dijo: el agua ser el carbn del futuro.Sabemos que de la electrlisis del agua podemos obtener el que se considera ser el gran combustible a mediados deeste siglo: el hidrgeno. As tendremos, a diferencia del petrleo, no slo una fuente energtica renovable sino un combustibleque al no tener carbono elimina el problema de contaminacin que ha venido generando el CO2. Antes de que se les hagatarde, pases como Venezuela deberan prepararse desde ya para estos cambios en los patrones energticos mundiales.

Los nuevos paradigmas

Desde los aos 70 del siglo pasado se han ido cambiando los paradigmas relacionados con la energa, materiasprimas y el medioambiente con la finalidad de evitar una sobreexplotacin de la naturaleza y su consecuentedegradacin. Los altos precios de la energa y las materias primas, as como el impacto ecolgico de las tecnologas,han llevado a aplicar y difundir medidas para ahorrar energa, reciclar materiales, considerar subproductos y valoraral ser humano, pues cada uno de nosotros tiene, en mayor o menor grado, la responsabilidad de cuidar el ambiente.


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Captulo XII:

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