El estado líquido y sólido

2. Objetivos
3. El estado
   Líquido
4. El Estado
   Sólido
5. Fenómeno de
   Fusión y de
   Sublimación
6. Macromoléculas
7. Ósmosis y
   Diálisis
8. Velocidad de
   Sedimentación
9. Coloides
10. Jabones y
    Detergentes
11. 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

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)

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.