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Sea muy, muy cuidadoso con lo que pone
en esa cabeza, porque nunca, jamás,
podrá volver a sacarlo de allí.


Cardenal Wolsey (1475?-1530)

Mala Química

Haga click sobre el símbolo para su explicación.


Esta página es parte de las páginas Bad Science (en inglés), y Mala Ciencia (en Español), establecidas por Alistair B. Fraser, y traducidas al Español por Eduardo Ferreyra, presidente de FAEC. El propósito de esta página es traer a la luz conceptos comúnmente mal enseñados sobre la Química. La audiencia a la que está dirigida son los estudiantes secundarios y sus maestros. La página está recién en sus comienzos, y serán bien recibidas las colaboraciones que se incluirían con el crédito correspondiente. Si usted desea contactarse con nosotros, por favor envíe un email a Lehmann@chemvax.princeton.edu, para las colaboraciones en inglés, y a shuara@fullzero.com.ar. para las colaboraciones y sugerencias en Español.

Traído a usted por: Kevin Lehmann y la Sección de Princeton de la American Chemical Society.

Tópicos:





El Efecto Hidrófobo no significa que las moléculas
no polares no son atraídas por el agua!

Todos hemos visto lo que sucede después de que el aceite y el vinagre han sido agitados vigorosamente en un envase; uno obtiene una mezcla de cosas, una emulsión. Pero después de un tiempo, los ingredientes se separan y el aceite, más liviano se ubica en la parte superior, y el vinagres, más pesado, se va al fondo. Esta es una ilustración sobre un importante principio de la química expresado por la regla "los iguales se disuelven entre sí". Esto se refiere al fenómeno en que, cuando dos líquidos hachos de moléculas de tamaño y polaridades similares son mezclados, ellos formarán normalmente una solución de fase única, sin importar cuál sea el número relativo de moles de cada especie. Esto está expresado por el habla común de que "dos sustancias son miscibles en todas las proporciones".

En contraste, cuando una sustancia altamente polar como el agua es mezclada con otra no polar o débilmente polar, como la mayoría de los aceites, las sustancias se separarán en dos fases. Este fenómeno es usualmente razonado en los libros de texto de introducción a la química diciendo que el aceite es "hidrófobo", y por ello no hace mezclas con el agua, mientras que los pequeños ácidos orgánicos polares (tales como el ácido acético que compone al vinagre) son "hidrófilos", y y por ello som miscibles con el agua.

Esta explicación lleva casi universalmente a los estudiantes (y aun a algunos químicos profesionales) a creer que las moléculas individuales de agua y aceite se repelen entre sí, o por lo menos se atraen muy débilmente. Nada podría estar más alejado de lo cierto! Una molécula individual de aceite es atraída hacia una molécula de agua por una fuerza mucho mayor que la atracción de dos moléculas de aceite entre sí.

Podemos observar las consecuencias de esta mayor atracción cuando ponemos una gota de aceite sobre una limpia superficie de agua. Antes de chocar contra la superficie, el aciete tendrá la forma de una gota esférica. Esto es porque las moléculas de acite son atraídas entre sí y una forma esférica minimiza el número de moléculas de aceite que no están rodeadas por otras moléculas. Cuando el aceite toca la superficie del agua, se desparrama para formar una delgadísima capa. Esto sucede porque la atracción entre las moléculas del aceite y del agua ganada por la dispersión sobre la superficie es más grande que la atracción aceite-aceite perdida al formar una gran área en la superficie del agua. Si una gota de aceite suficientemente pequeña es colocada sobre la superficie del agua, se desparramará hasta formar una delgadísima película de una sola molécula de espesor. Midiendo el área producida, se puede obtener una simple estimación del tamaño de cada molécula de aceite y con ello en número de Avogadro.

Dadas estas fuertes interacciones, ¿por qué cada molécula de aceite no se sumerge en la solución de agua y se rodea de las favorables atracciones del agua? La razón es que, para hacerlo, debe meterse entre las moléculas de agua que ya se están atrayendo entre ellas! La atracción agua-agua es mucho mayor que las ineracciones agua-aceite, y así existe un costo neto en energía al meter moléculas de aceite dentro de una solución acuosa. Por ello la vasta mayoría de la moléculas de aceite se mantendrán fuera del agua, aunque tantas como quepan se egarán a las molécuals de agua de la superficie que no tienen un complemento de socios completo.

Uno puede hacer una analogía con un baile de la escuela secundaria, donde generalmente encontraremos a los chicos y chicas más populares bailando enter ellos casi exclusivamente. No es que los miembros menos populares de la clase no deseen bailar con los más populares, es que los populares simplemente tienen "su" oportunidad de elegir con quien bailar, ya que ellos también quieren bailar con los más populares, y así forman parejas. Los estudiantes menos populares, en lugar de no tener pareja ninguna, también formarán parejas entre ellos.





La Común Teoría de "El Patinaje
Sobre Hielo Está Todo Mojado"

El agua tiene muchas propiedades desusadas. Una es la de que la forma sólida de baja presión (lo que conocemos como "hielo") tiene un volumen por mol que es ~10% mayor que el agua líquida en la que se derrite. Una consecuencia de todos los días de este hecho es que los cubitos de hielo flotan cerca de la superficie del agua, con cerca de l10% de su volumen por encima de la superficie agua-aire, y el 90% restantre sumergido en el agua.

Otra consecuencia de esta disminución de volumen al derretirse, es que la temperatura de derretimiento del hielo disminuye cuando se aumenta la presión sobre el hielo. Esto puede razonarse mediante el Principio de Châtelier. "Un aumento de la presión sobre una muestra de hielo puede ser parcialmente eliminada mediante el derretimiento del hielo, disminuyendo así el volumen de la muestra." Sin embargo, el efecto es muy pequeño dado que requiere una presión de ~121 atmósferas (1.22 MPa en unidades SI) para reducir la temperatura de derretimiento en 1º Centígrado.

A menudo se afirma que se puede patinar sobre el hielo porque la presión del patín hace que el hielo se derrita, reduciendo de tal forma la fricción entre el patín y el hielo. Mientras que esto hace a las buenas historias, no es totalmente correcto. Si se considera que un patinador tiene una masa de 75 kg, y el patín tiene un 3 mm de ancho por 20 cm de largo, se puede calcular la fuerza gravitatoria total ejercida sobre el área de cada patín es de alrededor de 12 atmósferas. Mientras que uno puede imaginar que la fuerza está concentrada en un área algo menor, el efecto de la presión por si sola es claramente suficiente para cambiar la temperatura de derretimiento del hielo en apenas algunas décimas de grado. Dado que la común experiencia es que el patinaje sobre hielo es posible aun cuando la temperatura ambiente está bien por debajo del punto de congelación, la presión ejercida sobre la disminución del punto de derretimiento claramente no explica esta observación de todos los dáias.

¿Qué es responsable, entonces? Los científicos están lejos de tener una comprensión total sobre este fenómeno diario. Es muy probable que esté relacioando, en parte, con un efecto conocido como "derretimiento superficial". La estabilidad de los sólidos se debe a la estructura regular que permite a las moléculas tener múltiples interacciones de atracción. Este no es el caso en la superficie de un sólido, dado que existen moléculas "por encima" de la superficie a las cual adherirse. Como resultado, las moléculas superficiales a menudo se distorsionarán para sacar el mayor provecho de una mala situación, tratando de aumentar su adherencia entre ellas y con aquellas debajo. Esto se conoce como "reconstrucción superficial". También es conocido que las moléculas en la superficie pueden volverse desordenadas y líquidas como cuando están a una temperatura por debajo del normal punto de derretimiento de un sólido. Este es un fenómeno conocido como "derretimiento superficial". Trayendo otra superficie (tal como el metal de un patín) influenciará este derretimiento superficial, ya que ahora las moléculas de agua en la superficie también pueden adherirse a los átomos superficiales del metal. Otro efecto importante es la fricción, que puede generar suficiente calor para derretir una delgada capa de hielo en contacto con el patín.



Las Soluciones Iónicas No Son Así!

Es ampliamente conocido que añadir sal al agua elevará ligeramente al punto de ebuliición. Este efecto puede demostrarse con facilidad colocando un vaso de agua dentro de una olla parcialmente llena con agua fuertemente salada, y luego calentarala en una hornalla de la cocina. Si la olla es calentada lentamente, se observará que el agua dentro dcel vaso comenzará a hervir antes que la solución salina en la olla. La mayoría de los libros de introducción explican que la magnitud del aumento del punto de ebullición es proporcional a la fracción de partículas disueltas en la solución. Por punto de ebullición quiero significar la temperatura a la que la presión de equilibrio del vapor de la solución es igual a la presión exterior, comúnmente debida a la presión atmosférica sobre la superficie del líquido. Es imprtante de recordar que la ebullición la rápida subida de burbujas a través del líquido, es un fenómeno de desequilibrio que comienza a una temperatura todavía mayor.

Muchos libros de texto razonan este efecto haciendo referencia a una figura tal como la que aparece más abajo:


La figura explica la disminución de la presión de equilibrio del vapor solvente de una solución a una temperatura fija con relación a aquella del solvente puro. Las moléculas no volátiles en la solución son vistas como bloqueando parcialmente el escape de las moléculas del solvente de la superficie de la solución. Para hacer hervir a la solución la temperatura debe ser subida para hacer que una vez más la presión del vapor de la sloución sea igual a la presión externa ejercida por la atmósfera sobre la superficie de la solución.

Aunque esta explicación parece atractiva, proporciona una imagen muy confundente de lo que las soluciones iónicas realmente son. Las sales iónicas, como el cloruro de sodio (NaCl), son sólo solubles en agua porque la energía de solvatación de los iones es casi tan grande como la enorme energía asociada con la atracción Coulómbica de los iones positivos y negativosen el cristal. A causa de esta fuerte solvatación, nunca se hallarán, esencialmente, ningún Na (+) o Cl(-) asentado sobre la superficie de la solución ya que allí no tendrá su completa cáscara de solvatación de moléculas de agua a su alrededor. La superficie de una una altamente concentrada solución salina es esencialmente agua pura! Ingenuamente, si se sigue la imaen de la figura más arriba, uno sería llevado a predecir que no existe ujna disminución de la presión del vapor cuando se disuelve sal en el agua.

Otro fallo de la figura de arriba es que parece implicar que el descenso de la presión del vapor dependerá del tamaño de las moléculas disueltas relativas al solvente. De hecho, esto no es correcto. Usando métodos de Termodinámica química tales como las halladas típicamente en un libro de texto de Química física, uno puede demostrar que para una cantidad suficiente de soluciones diluídas, la magnitud de la disminución de la presión del vapor depende sólo de la relación de molécilas solubles/solvente, y para nada en las propiedades de las moléculas solubles!

Otro error de concepto en la química relacionado con la elevación del punto de ebullición es la razón dada a menudo para agregar sal al agua cuiando se cocinan alimentos. Se afirma a menudo que esto se hace para aumentar el punto de ebullición del agua y así acelerar la cocción. Es cierto que un pequeño aumento de la temperatura puede acelerar de manera significativa la cocción. Los tiempos de cocción pueden llegar a ser típicamente casi la mitad si la temperatura del agua es elevada 10º C o 20º C . Sin embargo, aun si hacemos al agua para cocinar tan salada com la del mar (lo que requiere añadir doce cucharaditas de sal de mesa por cada 4 litros de agua!), el punto de ebullición se incrementará sólo 0,5º C, lo que diosminuirá el tiempo de cocción en apenas un pequeño porcentaje. Si usted es de ese Tipo A de personalidad que se siente compelido a ahorrar aun este mínimo tiempo de cocción, entonces lo último que usted necesita hacer es arriesgarse a aumentar su presión arterial al consumir tanto sodio!





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