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El estado líquido y sólido

Enviado por cesarjprado



Partes: 1, 2

  1. Objetivos
  2. El estado Líquido
  3. El Estado Sólido
  4. Fenómeno de Fusión y de Sublimación
  5. Macromoléculas
  6. Ósmosis y Diálisis
  7. Velocidad de Sedimentación
  8. Coloides
  9. Jabones y Detergentes
  10. Bibliografía

Introducción:

En el proceso de la investigación en cuanto al estado del líquido y la del estado sólido, como estudiantes de la Facultad de Ingeniería Metalúrgica y de Materiales, hemos desarrollad este trabajo enfocado en la visión de alcanzar esta información a nuestros compañeros como a aquellos que tienen como objetivo de conocer fenómenos que nos rodean en esta vida. Es así que presentamos este trabajo.

Objetivos:

  • Conocer por medio de la investigación las propiedades de los líquidos
  • Conocer por medio de la investigación las propiedades de los sólidos

El Estado Líquido:

1. Características Generales:

Un líquido está formado por moléculas que están en movimiento constante y desordenado, y cada una de ellas choca miles de millones de veces en un lapso muy pequeño. Pero, las intensas fuerzas de atracción entre cada molécula, o enlaces de hidrogeno llamados dipolo-dipolo, eluden el movimiento libre, además de producir una cercanía menor que en la que existe en un gas entre sus moléculas.

Además de esto, los líquidos presentan características que los colocan entre el estado gaseoso completamente caótico y desordenado, y por otra parte al estado sólido de un liquido (congelado) se le llama ordenado. Por lo tanto podemos mencionar los tres estados del agua (liquido universal), sólido, gaseoso y liquido.

De lo cual concluimos a las siguientes características:

  • Tienen volumen constante.
  • Son incomprensibles.
  • Tienen fuerte fricción interna que se conoce con el nombre de viscosidad.

2. Densidad y Peso Específico:

densidad.- la densidad de una muestra se define como la masa de unidad de volumen. La densidad se puede emplear para distinguir entre dos sustancias. Se suele expresarse en g/cm3 o g/ml.

densidad = mas

Volumen

Sustancia

Densidad en kg/m3

Densidad en g/c.c.

Agua

1000

1

Aceite

920

0,92

Gasolina

680

0,68

Plomo

11300

11,3

Acero

7800

7,8

Mercurio

13600

13,6

Madera

900

0,9

Aire

1,3

0,0013

Butano

2,6

0,026

Dióxido de carbono

1,8

0,018

peso Específico (Gravedad Específica).- Es la relación de su densidad a la densidad del agua a una determinada temperatura de referencia.

Peso específico = densidad del líquid

densidad del agua

3. Presión de Vapor:

La presión parcial de las moléculas de vapor por encima de la superficie de un líquido es la presión de vapor, lo cual se debe a los impactos de sus moléculas contra las superficies que confinan al gas y como la superficie del líquido constituye una de las paredes que limitan al vapor, habrá también una serie continua de impactos contra esta superficie por las moléculas en estado gaseoso.

4. Tensión de Vapor:

La presión ejercida por el vapor en tal condición de equilibrio (aumento o disminución de velocidad de condensación), se llama tensión de vapor del líquido. Todos los materiales, sean líquidos o sólidos, presentan tensiones de vapor definidas, con valores grandes, pequeños o muy pequeños, cualquiera que sea la temperatura de la sustancia. La magnitud de la tensión de vapor no depende de las cantidades del líquido y del vapor.

El factor más importante que determina la magnitud de la presión de vapor al equilibrio o tensión de vapor del líquido, lo constituye la propia naturaleza del líquido, la tensión de vapor depende exclusivamente sobre los valores de las fuerzas atractivas entre las moléculas.

Tensión de Vapor de algunos Líquidos

(expresadas en torr)

Temperatura, ºC

Agua

H2O

Etanol

C2H5OH

Tetracloruro de Carbono

CCl4

Acetona

CH3COCH3

Éter

Etílico

(C2H5)2O

0

4.579

12.2

33

. . . . . . .

185.3

10

9.209

23.6

56

115.6

291.7

20

17.535

43.9

91

184.8

442.2

30

31.824

78.8

143

282.7

647.3

40

55.324

135.3

216

421.5

1.212 atm

50

92.51

222.2

317

612.6

1.680

60

149.38

352.7

451

1.14 atm

2.275

70

233.7

542.5

622

1.58

3.021

80

355.1

1.069 atm

843

2.12

3.939

90

525.8

1.562

1122

2.81

5.054

100

760.0

2.228

1463

3.67

6.394

5. Humedad:

La humedad atmosférica es la cantidad de vapor de agua existente en el aire. Depende de la temperatura, de forma que resulta mucho más elevada en las masas de aire caliente que en las de aire frío. Se mide mediante un aparato denominado higrómetro, y se expresa mediante los conceptos de humedad absoluta, específica, o relativa del aire.
La humedad absoluta es la masa total de agua existente en el aire por unidad de volumen, y se expresa en gramos por metro cúbico de aire. La humedad atmosférica terrestre presenta grandes fluctuaciones temporales y espaciales.
La humedad específica mide la masa de agua que se encuentra en estado gaseoso en un kilogramo de aire húmedo, y se expresa en gramos por kilogramo de aire.
La humedad relativa del aire es la relación porcentual entre la cantidad de vapor de agua real que existe en la atmósfera y la máxima que podría contener a idéntica temperatura.
La fuente principal de la humedad del aire es la superficie de los océanos, de donde se evapora el agua de forma constante. Pero también contribuyen a su formación los lagos, glaciares, ríos, superficies nevadas, la evapotranspiración del suelo, las plantas y los animales.
La humedad absoluta y la específica aumentan paralelamente a la temperatura, mientras que la variación de la humedad relativa es inversamente proporcional a la temperatura, al menos en las capas bajas de la atmósfera, donde su valor mínimo corresponde a las horas de mayor calor, y el máximo a las madrugadas.
Como la atmósfera en sus capas altas está estratificada, la temperatura y la humedad no son las mismas de una capa a otra y la humedad relativa varía bruscamente.

6. Tensión Superficial:

En un líquido, cada molécula se desplaza siempre bajo influencia de sus moléculas vecinas. Una molécula cerca del centro del líquido, experimenta el efecto de que sus vecinas la atraen casi en la misma magnitud en todas direcciones.

Sin embargo, una molécula en la superficie del líquido no esta completamente rodeado por otras y, como resultado, solo experimenta la atracción de aquellas moléculas que están por abajo y a los lados. Por lo tanto la tensión superficial actúa en un líquido perpendicular a cualquier línea de 1cm de longitud en la superficie del mismo. Para la tensión superficial tenemos lo siguiente:


Donde:

  • r = Radio del tubo capilar.
  • h = Altura medida desde el nivel del líquido en el tubo de ensaye, hasta el nivel del líquido en el tubo capilar.
  • g = Aceleración de la gravedad.
  • q = Angulo de contacto en el líquido con las paredes del tubo capilar.
  • g = Tensión superficial.

Para los líquidos que mojan el vidrio, su ángulo de contacto se supone a 0°, y sacando el (cos 0°) es 1, por lo que la ecuación anterior se reduce a:


Donde:

D r = Es la diferencia de densidades que existe en el líquido y su vapor.

La tensión superficial mide las fuerzas internas (energía) que hay que vencer para expandir el área superficial de un líquido.

Las moléculas en la superficie del líquido están menos atraídas por las fuerzas intermoleculares, por lo que prefieren situarse en el interior (figura 6.1). La tensión superficial mide la energía necesaria para ampliar la superficie de un líquido.

Figura 6.1. Diferencia entre las fuerzas que actúan sobre una molécula dentro del líquido y las que actúan sobre una molécula en la superficie. Hay una fuerza resultante hacia el interior de la disolución sobre las moléculas de la superficie. Esta fuerza es la responsable de que las gotas de agua sean esféricas, ya que una esfera tiene un área menor que cualquier otra forma del mismo volumen.

7. Viscosidad (Frotamiento Interno):

Algunos líquidos, literalmente fluyen lentamente, mientras que otros fluyen con facilidad, la resistencia a fluir se conoce con el nombre de viscosidad. Si existe una mayor viscosidad, el líquido fluye más lentamente. Los líquidos como la maleza y el aceite de los motores son relativamente viscosos; el agua y los líquidos orgánicos como el tetracloruro de carbono no lo son. La viscosidad es la resistencia de un líquido a fluir y se relaciona con las fuerzas intermoleculares d atracción y con el tamaño y forma de las partículas que o constituyen.

La viscosidad puede medirse tomando en cuenta el tiempo que transcurre cuando cierta cantidad de un líquido fluye a través de un delgado tubo, bajo la fuerza de la gravedad. En otro método, se utilizan esferas de acero que caen a través de un líquido y se mide la velocidad de caída. Las esferas más lentamente en los líquidos más viscosos. Si deseamos determinar la viscosidad con respecto al tiempo, es decir el volumen del líquido que fluye con respecto al tiempo tenemos:

........................ecuación 1

Donde:

  • = Velocidad de flujo del líquido a lo largo de un tubo.
  • r = Radio del tubo.
  • L = Longitud
  • (P1 - P2) = Diferencia de presión

A pesar de esto la determinación de las variables L y r es complicado, para esto empleamos un método de comparación entre un líquido de viscosidad desconocida y el agua como un líquido base, pero si consideramos que D P es en proporción a la densidad r tenemos el siguiente análisis.

.........................ecuación 2

Donde:

  • m 1= Viscosidad del liquido desconocido.
  • m 0= Viscosidad del agua.

8. Solución:

A.- Características Generales:

  • Las soluciones son mezclas homogéneas de dos o más especies moleculares puras y distintas en la cual no se da la precipitación.

Las soluciones incluyen diversas combinaciones en que el sólido, el líquido o el gas actúan como disolvente o soluto, la homogeneidad de sus componentes se considera desde un punto de vista de una escala molecular.

9. Solubilidad:

Otra propiedad física que permite conocer el tipo de enlace es la solubilidad. Los compuestos con enlace iónico son solubles en agua y los que tienen enlace covalente se disuelven en otros compuestos covalentes. Esta propiedad tiene varias excepciones, la fundamental es que las sustancias que tienen moléculas con muchos átomos de oxígeno y que no son macromoléculas son solubles en agua porque los átomos de oxígeno se unen con los átomos de hidrógeno del agua.
Prácticamente todos los compuestos formados con elementos situados a la derecha de la tabla periódica tienen enlaces covalentes. En la vida corriente serían todas las pinturas, disolventes, grasas, hidrocarburos, azúcar, alcohol, etc.

La masa de soluto que se ha añadido a un determinado volumen de disolvente se denomina concentración. Y la máxima cantidad de soluto que puede disolverse, se conoce como solubilidad.

Si la solubilidad es alta, quiere decir que podemos añadir gran cantidad de soluto al disolvente. Pero si es pequeña, un poco de soluto añadido apenas se disolverá. Normalmente la solubilidad aumenta con la temperatura. Así el agua caliente puede disolver más sal que el agua fría, aunque si el soluto es un gas, ocurre justamente lo contrario, al calentarse el agua, el gas se disuelve menos y abandona la disolución. Por eso los refrescos calientes pierden su efervescencia con mayor rapidez que los refrescos fríos y las aguas frías suelen ser ricas en pesca, ya que contienen más oxígeno disuelto.

Cuando viertes azúcar en el café y agitas el líquido estás preparando una disolución, una mezcla homogénea de varias sustancias.

Si en lugar de leche y azúcar usamos agua y sal el proceso es más fácil de seguir: en medio vaso de agua, al echar media cucharada de sal y agitar, la sal se disuelve y desaparece, parece que sólo tenemos agua en el vaso, aunque su sabor salado (no te recomiendo que la pruebes) nos indica que contiene sal;  la sal, que es la sustancia que vamos a disolver, se denomina soluto, mientras que el agua, que es la sustancia en la que se va a dispersar la sal, se llama disolvente, el conjunto de agua y sal recibe el nombre de disolución o solución.

En general, es fácil distinguir entre soluto y disolvente ya que el primero está en menor proporción. A la cantidad de soluto disuelto en una determinada cantidad de disolvente se le denomina concentración.

Puesto que la cantidad de sal (soluto) en el agua (disolvente)   es poca, decimos que la disolución es diluida. Si echamos una cucharada más de sal y volvemos a agitar, la disolución se dice que está concentrada, porque hay mucha cantidad de soluto.

Si volvemos a echar otras dos cucharadas de sal, por más que agitemos queda un resto de sal en el fondo del vaso, sin disolverse, la disolución está ahora saturada. La concentración de esa disolución saturada es la solubilidad de la sal.

Al calentar el agua, veremos que se disuelve más cantidad de sal: la solubilidad varía con la temperatura. Normalmente los sólidos, como la sal, el azúcar o el bicarbonato aumentan su solubilidad con la temperatura, mientras que los gases, como el dióxido de carbono o el oxígeno, la disminuyen.

Cuando se empiezan a combinar materiales distintos, como al agregar elementos de aleación a un metal, se producen soluciones. Estas pueden ser tanto líquidas como sólidas. El interés es determinar la cantidad de cada material que se puede combinar sin producir una fase adicional. En otras palabras, la atención se enfocará en la solubilidad de un material en otro.

Las soluciones alteran las propiedades de los materiales como se puede ver en las figuras siguientes.

Figura 9.1: esta tabla muestra el cambio de propiedades de un material al cambiar su composición.

Figura 9.2: muestra la relación tensión-deformación entre áridos, pasta de cemento y la mezcla de ambos (Hormigón), produciendo un material de dos fases.

10. Composición de Soluciones:

Se encuentran en uso los seis métodos siguientes para la expresión de la composición de las soluciones:

1.- Porcentaje del soluto por peso. En las soluciones líquidas, mientras no se diga lo contrario, se entiende que el % de los componentes vienen expresados por peso.

2.- Peso del soluto por unidad de peso del solvente.

3.- Peso de soluto por unidad de volumen de la solución

4.- Fracción molar del soluto.

5.- Moles de soluto por unidad de peso del solvente. Se llama también molalidad y se expresa por "m". una solución 1 molal contiene 1 mol del soluto por 1000g del solvente.

6.- Pesos molares o equivalentes de soluto por unidad de volumen de la solución. Se conoce con el nombre de molaridad y se expresa por "M" o "C" cuando se trata de moles de soluto por litro de solución. Una solución 1 molar contiene 1 mol de soluto de un litro de solución. Se llama normalidad y se representa por "N" cuando se trata de equivalente- gramos de una sustancia disueltos en un litro de solución.

El Estado Sólido

1. Sólido Cristalino y Sólido Amorfo:

Los sólidos se clasifican como cristalinos o amorfos. Los sólidos cristalinos son sólidos verdaderos, las partículas existen en un patrón regular, tridimensional, denominado red cristalina.

Los sólidos amorfos no tienen una estructura microscópica regular como los sólidos cristalinos. En realidad su estructura se parece mucho más a la de los líquidos que a la de los sólidos.

El vidrio, el alquitrán, los polímeros de alta masa molecular como el plexiglás son ejemplos de sólidos amorfos.

2. Características Generales:

Los cristales poseen una constitución vectorial, es decir, sus propiedades son función de la dirección. En las sustancias cristalinas no son equivalentes todas las direcciones. La dependencia entre las propiedades de un cristal y la dirección está influenciada por la simetría del mismo, es decir por el número de planos o de ejes de simetría que son los que condicionan el crecimiento del cristal.

3. Fuerzas de Enlace:

Los sólidos cristalinos se clasifican en categorías dependientes del tipo de partículas que forman el cristal y los enlaces que interaccionan entre ellas.

Las categorías son:

a.- Fuerzas Iónicas Constituidas por fuerzas electrostáticas entre iones de signos opuestos que constituyen las partículas del cristal iónico. Desde que estas fuerzas son considerables, los cristales iónicos resultan ser bastante duros, quebradizos, malos conductores caloríficos y eléctricos y de punto de fusión elevados (600 a 3000ºC).

Ejemplo: NaCl. CaBr2, K2SO4, que son sales características.

b.- Fuerzas de Van der Waals Son fuerzas débiles, por lo cual los cristales son blandos y de bajo punto de fusión. Son características de sustancias orgánicas que poseen este tipo de fuerza de enlace entre sus moléculas neutras que constituyen sus partículas cristalinas.

c.- Fuerzas de Enlace Covalente Los sólidos covalentes (sólidos de red cristalina), el diamante es un ejemplo de los cristales que mantienen unidas sus partículas por enlaces covalentes en tres dimensiones; cada átomo de carbono esta unido a otros cuatro por un modelo tetraédrico, que permite reconocer la dependencia con el tetraedro de Van´t Hoff para el átomo de carbono.

En cambio, el grafito, es menos compacto y blando, exfoliable y de más facil ataque por los agentes químicos, debido a que la estructura cristalina tiene una ordenación de capas bidimensionales de enlaces covalentes entre sus átomos según distribución hexagonal parecidos a los anillos del benceno.

d. Fuerzas dipolo-dipolo Las fuerzas dipolo-dipolo son atracciones entre dipolos eléctricos de moléculas polares.

e. Fuerza dipolo-dipolo inducido Estas fuerzas se dan entre una molécula polar y otra molécula no polar. La molécula polar induce un dipolo en la no polar.

f.- Fuerzas de Dispersión o de London Son atracciones que se dan entre cualquier tipo de moléculas debido a los dipolos instantáneos que se forman producidos por las fluctuaciones en la densidad eléctrica que rodea a los átomos. Las fuerzas de London dependen de la forma de la molécula. Para moléculas de formas semejantes, crecen con la masa molecular y con la polarización ya que esos factores facilitan la fluctuación de los electrones.

g.- Fuerzas Ión-dipolo En estas fuerzas un catión atrae la carga parcial negativa de un dipolo eléctrico o un anión atrae la carga parcial positiva del dipolo. Esta fuerza es la responsable de la hidratación de los iones del agua. La hidratación del catión persiste muchas veces en el sólido por ejemplo el Na2CO3.10H2O. Un catión se hidrata mas fuertemente cuanto menor sea su tamaño y mayor su carga.

h.- Fuerza de Enlace de Hidrógeno Es una interacción primordialmente de tipo dipolo-dipolo especialmente fuerte, que se da entre un átomo de hidrógeno con carga parcial positiva y un átomo electronegativo (normalmente N, O, ó F) La presencia del enlace de hidrógeno en el H2O, NH3 y HF, justifica las anormalidades encontradas en sus puntos de fusión, es también responsable de la alta capacidad calorífica molar del agua líquida, así como de sus elevados calores de vaporización y de fusión.

4. Sistemas Cristalinos:

Es la unida de volumen más pequeña de un cristal que reproduce por repetición la red cristalina, se llama celdilla unidad. Se puede demostrar que para que una celdilla unidad por repetición pueda reproducir la red cristalina, de pertenecer a un de los siete sistemas cristalinos de la tabla que mostramos.

Dimensiones de las celdillas unidad para los siete sistemas cristalino

 

5.- Capacidad Calorífica de los Sólidos:

Las capacidades caloríficas atómicas de los elementos se llaman también calores atómicos, las capacidades caloríficas moleculares de los compuestos se llaman también calores moleculares.

Las llamadas caloríficas a altas temperaturas se representan por ecuaciones de algunos de los tipos siguientes que fueron dadas por Kellongg:

Cp= a + bT

Cp= a + bT + cT

Cp= a + bT + cT-2

6.- Fenómeno de Fusión y Sublimación:

Fenómeno de Fusión.- Se denomina al cambio de estado, de sólido a líquido, y va acompañado de un moderado cambio de volumen. Así por ejemplo, el hielo y el agua saturada con el aire estan en equilibrio bajo una presión total atmosférica de 1.00 atm, en la cual la presión parcial del vapor de agua sólida es solo de 4.58 torr, a la temperatura de 0.00ºC que es uno de los dos puntos fijos de la escala centígrada de temperatura.

Fenómeno de Sublimación.- Los sólidos tienen tensiones de vapor características, que varían con la temperatura como sucedía con los líquidos. Aumentando la temperatura, aumenta también la tensión de vapor del sólido. En el caso del equilibrio de un sólido con su vapor saturado, que varía su presión con la temperatura, la curva se llama una curva de sublimación. El termino sublimación se usa para indicar la conversión directa sólido vapor, sin la intervención del líquido. La purificación del yodo, azufre, naftaleno y ácido benzoico resultan muy fácil por sublimación, debido al hecho que las tensiones de vapor de estos sólidos tienen valores bastante altos.

7.- Macromoléculas:

En el estudio fisicoquímico de los sistemas químicos, se toma uno de los dos puntos de vista siguiente: molecular o macroscópico. Sin embargo, una importante clase de sistemas químicos es intermedias entre ambos extremos.

Estos sistemas consisten de moléculas que son tan grandes que pueden ser tratadas como moléculas gigantes o partículas macroscópicas pequeñas. La mayoría de estas partículas que son de interes usual, y que se encuentran en en la variación de diámetro de 10 nanómetros y 1 micrómetro, se halla que son moléculas simples, por lo cual es conveniente el termino "macrmolécula".

Los sistemas de macromolécula pueden ser clasificados como polímeros sintéticos y macromoléculas naturales. Las macromoléculas sintéticas comprenden los polímeros de adición como el polietileno y los polímeros de condensación como el nailon.

El mayor interés en las macromoléculas naturales esta centrada en las proteínas y en los ácidos nucleicos, pero también incluyen a los polisacáridos como la celulosa y los polímeros de isopreno como el caucho natural.

8.- Osmosis y Diálisis:

La presión osmótica, como condición de equilibrio, será un concepto frecuentemente utilizado a lo largo de este libro, y es importante hacer notar que el concepto de presión osmótica ha cobrado realidad en el laboratorio y no en la naturaleza, porque los sistemas biológicos no son de equilibrio y generalmente realizan acciones transitorias en las que se realizan los procesos eficientemente. La descripción formal de la ósmosis se referirá más bien a un modelo muy simplificado en el laboratorio y no a una situación general de la naturaleza. Es decir, los sistemas biológicos son mucho más complicados que como se estudian en los cursos ordinarios de biofísica y de bioquímica, lo cual no debe desalentarnos ya que es a través de modelos como el hombre de ciencia describe a la naturaleza.

Mientras que el concepto de presión osmótica se establece en el contexto de la termodinámica clásica de equilibrio, el flujo osmótico es un concepto asimilado en la teoría termodinámica de no-equilibrio. Esta última teoría supone relaciones lineales entre flujos y fuerzas, siempre y cuando los flujos producidos no alejen severamente al sistema de su situación de equilibrio. La termodinámica de no-equilibrio es actualmente bien conocida, con sus postulados lógicos, autoconsistentes y suficientes para describir completamente la evolución del sistema a partir de cualquier situación hasta el estado de equilibrio.

Las dos teorías termodinámicas que hemos indicado no son suficientes para establecer la comprensión del mecanismo a través del cual la ósmosis ocurre, puesto que, aunque describen relaciones macroscópicas entre las variables de estado y sus efectos espaciales y temporales, no nos dicen como es la mecánica particular que se extralimita cuando se tiene un movimiento osmótico de masa.

Desde el punto de vista de la teoría cinética de los gases y de la mecánica estadística, el problema tampoco queda aclarado del todo, aunque de momento puede arrojar alguna luz sobre el particular. Es decir, dar una imagen microscópica a través de la cual se explique que el mecanismo de la ósmosis es un problema escasamente resuelto.

En el caso de la capilaridad, la causa intrínseca por la que una columna de agua en un capilar de vidrio se eleva sobre la superficie libre de un recipiente con agua, puede obtenerse microscópicamente. La capilaridad se define en términos de acciones moleculares al indicarse la existencia de una fuerza resultante entre la superficie del agua y la pared del capilar. Esta fuerza ejerce una acción que es opuesta a la dirección de la fuerza de gravedad y la causa que produce esa fuerza en la interfase agua-aire-capilar es la competencia entre las fuerzas de cohesión y de adherencia entre las moléculas de agua, del aire y del vidrio.

Ahora bien, una interpretación parecida en términos de dinámica molecular no ha sido establecida con respecto a la ósmosis, aunque algo se ha podido decir a este respecto utilizando para ello la mecánica estadística o la teoría cinética de los gases. Con la intención de observar las dificultades de la comprensión teórica de la ósmosis vamos a discutir, a continuación, los detalles particulares del fenómeno y su comprobación macroscópica.

Si no se conoce el fenómeno de la ósmosis y por casualidad se observa este fenómeno en un equipo experimental, lo primero que se advertirá es que su presencia contradice el sentido común porque el flujo osmótico ocurre precisamente en dirección contraria a la que se espera.

Cuando tenemos un sistema de vasos comunicantes separados entre sí por una barrera porosa, seremos capaces de hacer una predicción de la dirección del flujo del líquido entre los vasos. Así percibimos que, en efecto, el flujo se dirige del recipiente donde la altura del líquido es mayor, al recipiente donde la altura es menor (véase la figura 2).

Figura 2. Un flujo volumétrico y viscoso se observa entre dos vasos comunicantes de un líquido a diferentes alturas que puede pasar un medio poroso.

La función de los vasos comunicantes es nivelar las diferencias de nivel del líquido entre los dos sistemas en contacto. De igual forma ocurre con la presencia de un flujo calorífico, originado por una diferencia de temperaturas entre dos puntos. En este caso, el flujo de calor ocurre del punto donde la temperatura es mayor a donde la temperatura es menor.

Sin embargo, en el sistema mencionado de vasos comunicantes haremos un cambio, en lugar de poner agua pura en el recipiente 2, colocaremos una solución de agua con azúcar, y en vez de ponerlo en contacto con el recipiente 1 empleando un medio poroso, utilizaremos una membrana semipermeable que permita el libre tránsito del agua, pero que impida la difusión del azúcar. Entonces ocurre algo sorprendente, la dirección del flujo que teníamos antes (véase la figura 2) se invierte. Ahora el flujo del agua es contrario a la dirección natural que tendría si los recipientes fueran vasos comunicantes (véase la figura 3).

Figura 3. Un flujo volumétrico y viscoso se observa entre dos recipientes con soluciones de diferente concentración. El flujo de la solución diluida hacia la solución concentrada es el flujo osmótico.

Un novato que contemple este fenómeno directamente frente al experimento, seguramente se sorprendería mayúsculamente, porque la columna del líquido de uno de los recipientes se eleva a costa de reducir la altura del vaso contiguo.

El fenómeno observado alcanza el estado de equilibrio cuando entre los recipientes se observa una diferencia de niveles que no cambia con el tiempo. Esto es lo inesperado, que el equilibrio mantenga una diferencia de presiones, en lugar de anularla como en el caso observado antes, en los vasos comunicantes. Así, la explicación más natural que el novato puede dar a dicho flujo osmótico y a la diferencia final de niveles es suponer la presencia de un pistón que presiona la columna de agua pura.

Tal explicación falla porque dicho pistón no existe. Así pues, el novato se quebrará la cabeza queriendo dar una explicación en términos de "fuerzas" y sus efectos, pero al final de cuentas la causa de tales "fuerzas" no aparecerá por ningún lado.

¿Cuál es el error de apreciación que comete el novato que no le permite contemplar una explicación correcta? La respuesta es que el novato cree que una solución líquida frente a una membrana semipermeable se comporta como un fluido puro. Por lo anterior, el novato no considera ninguna información adicional relacionada con la propiedad de las soluciones y mezclas. El novato tendrá que aprender la teoría termodinámica de mezclas para entender que toda solución posee una "energía química" (energía libre) la cual es menor en la mezcla que en las correspondientes sustancias puras. Así pues, la energía química es mayor en el agua pura que en la solución de agua con azúcar; y otra vez se establece el fenómeno cotidiano por el sentido en que el flujo de masa ocurre, es decir, del punto donde existe un potencial mayor a donde hay uno menor.

El potencial de que hablamos se refiere a la famosa "energía química".1 Esto explica el fenómeno osmótico desde el punto de vista termodinámico. Posiblemente tal aseveración no satisfaga al lector porque la descripción de la energía química no despierta nuestro sentido de apreciación y la curiosidad misma queda en el vacío. Hemos de reflexionar en que la explicación que hemos dado es formal en relación a la teoría termodinámica y que, si no la entendemos en esa forma, estamos perdidos.

Sea porque se le llame energía química, energía libre, o bien se nos dé una descripción en términos del concepto de entropía, no nos aclararía el mecanismo del fenómeno osmótico; y la pregunta que inquietó vivamente al novato sobre la causa mecánica de dicho fenómeno queda sin respuesta.

Así se confirma el hecho ya comentado de que poco ayuda la teoría termodinámica para establecer el entendimiento de la ósmosis; por lo que recurriremos a la teoría cinética de los gases y la mecánica estadística en auxilio de la termodinámica.

Algo se ha podido hacer para dilucidar el fenómeno a partir de las propiedades moleculares, aunque en general se trata de un deseo no satisfecho, porque esta explicación no está elaborada en forma completa y definitiva por los físicos. Por lo pronto podemos hacer referencia a las dificultades que involucra un estudio de este tipo y dar una idea de lo que la teoría cinética de los gases ideales establece para la ósmosis, como lo haremos a continuación.

Imaginemos un vaso con agua donde se coloca un conjunto de municiones de cobre. Lo que ocurre es que las municiones se depositan en el fondo del vaso y desde luego no producen ningún efecto osmótico. Si dividimos las municiones en fragmentos y los colocamos nuevamente en el agua, otra vez observamos que los fragmentos se depositan lentamente en el fondo del vaso.

Ahora tampoco observamos un efecto osmótico. Este se conseguirá cuando se logre dividir los pequeños fragmentos metálicos de tal manera que las partículas producidas no se depositen en el fondo, sino que se distribuyan en el volumen del agua formando una suspensión.

Ahora bien, las partículas que forman una suspensión son tan grandes, comparadas con los tamaños de las moléculas del agua, que un simple filtro (un medio poroso) funciona como una membrana semipermeable, ya que impide el libre paso de estas partículas. En este caso estaríamos en posición de observar el efecto osmótico de una suspensión. Sin embargo, si tuviéramos mil millones de partículas de cobre en la suspensión, apenas estaríamos considerando una presión osmótica de unas mil millonésimas de la presión atmosférica. De manera que, para que el efecto tuviera importancia y se observara en un experimento, se tendrían que dividir aún más las partículas de cobre.

De esta forma llegaríamos al nivel de las dimensiones atómicas. Esto es si insistimos en apreciar con nuestros sentidos el efecto osmótico. En este caso ya no estaríamos hablando de una suspensión sino de una solución. En este ejemplo se destaca que 109 partículas no permiten apreciar un resultado de efecto microscópico, sino que para ello requeriremos un número de partículas en disolución del orden de 1023 (número de Avogadro).

Con esto se destaca el hecho de que el fenómeno osmótico es francamente macroscópico y también se ilustra que, partiendo del punto de vista macroscópico, una descripción del hecho osmótico podrá hacerse considerando la superposición de la dinámica de un número muy grande de moléculas, en donde se pueden establecer resultados promedios, y esto es en realidad un tratamiento mecánico-estadístico a partir de la dinámica molecular que, como hemos dicho, es un procedimiento que no se ha elaborado en forma completa para explicar el fenómeno osmótico.

La dificultad principal de este tratamiento es considerar a la membrana como una pared-frontera y describir su interacción con las partículas. Hasta ahora, los resultados obtenidos son promedios que implican operaciones matemáticas de un enorme grado de dificultad. De manera que la dinámica molecular que origina el flujo osmótico queda oculta, y volvemos a lo mismo: tenemos que considerar dicho fenómeno desde el punto de vista macroscópico.

Las informaciones que se han podido obtener sobre el mecanismo de la ósmosis se han realizado por medio de la teoría cinética de los gases. Ahora ilustraremos el tipo de información a que da lugar:

Figura 4. El gas ideal A puede pasar a través de la membrana que separa los recipientes 1 y 2. En equilibrio P 2A = P 1A. La presión total en el recipiente 1 excede a esta presión por P 1B, la presión osmótica.

Consideremos un dispositivo como el indicado en la figura 4, donde tenemos dos recipientes separados por una membrana semipermeable. En el recipiente 1 tenemos una mezcla de dos gases ideales que nombramos A y B, y en el recipiente 2 tenemos el gas ideal A puro, permeable a la membrana; mientras que la membrana es impermeable al componente B.

Bajo condiciones de equilibrio ocurre que la presión parcial del componente que puede pasar a través de la membrana es igual en ambos compartimientos, es decir:

P2A=P1

En este caso, en el recipiente 1 tenemos un exceso de presión causado por el componente B. Este exceso de presión no es observado en el gas del recipiente 2, porque de alguna manera es compensado por la membrana al impedir el libre tránsito del componente B.

En efecto, en un balance de presiones es la membrana la que contrarresta los efectos del componente que no puede pasar y así se estima la función de la membrana. De manera que si observamos los manómetros del dispositivo experimental, el sistema conserva su equilibrio, acusando una diferencia de presiones. En este caso, nótese cómo la presión osmótica es la presión parcial del componente que no puede pasar a través de la membrana

π=P1B


A este efecto, algunos autores suelen llamarlo "efecto de manómetro", porque son éstos los que señalan la diferencia de presiones cuando el sistema está en equilibrio. Este hecho tiene una consecuencia importante cuando el sistema está fuera del equilibrio, puesto que la diferencia de presión del componente que puede pasar no será igual a la diferencia de presión registrada por los manómetros.

Si consideramos

∆ p Diferencia de presión a ambos lados de la membrana (medida),

Entonces

∆p-π Es la caída de presión del componente que puede pasar a través de la membrana.

La corrección a la presión medida (∆p) por la presión osmótica (π) es para evitar el exceso de presión del componente que no puede pasar y que los manómetros registran, aunque sin importancia en el flujo a través de la membrana. El efecto de manómetro nos hace considerar la naturaleza del flujo osmótico, ya que en la explicación que hemos dado con gases ideales se indica que la presión osmótica aparece como una corrección entre una predicción teórica y su ajuste experimental.

Asimismo, observaremos a continuación que el dispositivo empleado con gases ideales no indica a simple vista la causa del flujo osmótico.

Si consideramos que el dispositivo experimental de la figura 4 no se encuentra en equilibrio, es decir

P2A ≠ P1A


Entonces se obtendrá un flujo de la especie A (que puede transitar libremente a través de la membrana), producido por la diferencia entre las presiones P2A y P1A. Ahora demostraremos que este flujo no es osmótico. La demostración es muy simple, porque en un gas ideal la presión parcial es proporcional a la concentración, de manera que el flujo es causado por una diferencia de concentraciones de la especie A a través de la membrana, y bien se sabe que es un flujo de difusión que se ajusta a la Ley de Fick de la difusión.

Por lo que respecta al flujo osmótico es no difusivo y equivalente al causado por una diferencia de presiones. En nuestro caso, en un estado de no equilibrio, además del flujo difusivo del componente A, observaríamos un flujo del mismo componente A causado por π =p1B. Para observar de dónde surge este término en nuestras ecuaciones, es necesario utilizar el formalismo completo de la teoría cinética de Boltzmann, para encontrar que, en efecto, es la presión osmótica de los componentes por lo que no pueden pasar por la membrana, y son los que producen el flujo osmótico.

Pero este término aparece junto al que origina el flujo viscoso. Es decir, el flujo osmótico puede interpretarse como un flujo viscoso, producido por los movimientos térmicos moleculares cuando son interrumpidos por una pared porosa (membrana).

La descripción matemática de este hecho fue realizada por L. F. del Castillo, E. A. Mason y H. E. Revercomb en 1979, dándole una expresión formal a la sugerencia que consideraba al flujo osmótico de origen viscoso, descripción cualitativa dada por varios autores cuando estudiaron la naturaleza hidrodinámica de la ósmosis. Reanudaremos esta explicación en el capítulo VI.

La demostración clásica de la ósmosis y de la presión osmótica es sumergir las células de sangre rojas en soluciones del osmolarity que varía y mirar qué sucede. El suero de la sangre es isotónico con respecto al citoplasma, y a las células rojas en que la solución asume la forma de un disco bicóncavo. Para preparar las imágenes demostradas abajo, las células rojas de su autor intrépido fueron suspendidas en tres tipos de soluciones:

  • Isotónico - las células fueron diluidas en suero: Observe la forma bicóncava hermosa de las células como circulan en sangre.
  • Hipotónico - las células en suero fueron diluidas en agua: En 200 milliosmols (MOS), las células son visiblemente hinchadas y han perdido su forma bicóncava, y en MOS 100, la mayoría se han hinchado tanto que han roto, dejando qué se llaman los fantasmas de la célula de sangre roja. En una solución hipotónica, el agua acomete en las células.
  • Hipertónico - una solución concentrada del NaCl fue mezclada con las células y suero para aumentar osmolarity: En MOS 400 y especialmente en 500 MOS, el agua ha fluido de las células, haciéndolas derrumbarse y asumir el aspecto spiky usted ve

9.- Velocidad de Sedimentación:

La sedimentación gravitacional terminal para esferas con gravedad específica de 2, se entiende como la velocidad con la cual una partícula se sedimenta a través de la atmósfera o a través del agua.

Para un grano de arena gruesa, con un diámetro de 1000µ en el aire la velocidad de sedimentación es de 6 m/s. Ésta es mucho mayor que las velocidades verticales comunes de la atmósfera, de modo que es raro que el viento sople esas partículas hacia arriba una vez que se encuentran en el aire. Por esta razón, aun cuando una fábrica que emitiera hacia el aire grandes cantidades de partículas de tamaño de arena, no contribuiría mucho a la contaminación del aire, porque casi todas las partículas llegarían hasta el piso cercana a la industria.

La velocidad terminal de sedimentación de una partícula con un diámetro de 1µ es de 6*10-5 m/s. Los movimientos verticales del aire en el exterior normalmente son mayores que este valor, de modo que las partículas de este tamaño no sedimentan con rapidez en la atmósfera, como lo haría la arena gruesa, sino en lugar de ello se mueven con el gas y permanecen en suspensión durante largos períodos.

De este modo, se establece una distinción entre el polvo, que se asienta con rapidez en la atmósfera debido a su alta velocidad gravitacional de sedimentación, y las partículas suspendibles, que se sedimentan con tanta lentitud que puede considerarse que permanecen en la atmósfera hasta que son eliminados por precipitación. No existe una línea divisoria clara y simple entre las dos categorías, pero si se debe hacer una distinción arbitraria de ese tipo, se haría en alguna parte cerca de un diámetro de partícula de 10µ. Las partículas bastante pequeñas como para permanecer suspendidas en la atmósfera, o en otros gases, durante largos períodos se llaman aerosoles, lo que indican que se comportan como si estuvieran disueltas en el gas.

En virtud de que la estrategia básica de la mayor parte de los dispositivos colectores de partículas es llevar a cada una de ellas a que entren en contacto entre sí, de modo que puedan aglutinarse y aumentar su tamaño, debe contarse con cierto conocimiento de las fuerzas de retardo que el aire o gas que las rodea ejercen sobre esas partículas cuando se intenta moverlas, con el fin de evaluar esos dispositivos.

Partes: 1, 2

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