Ida y vuelta hacia los estados_CF N° 246

Autora: María Cristina Chaler. 

Ciencia Fácil Número 246

Serie: Una mirada de la química diferente.

Ida y vuelta hacia los estados

Una sustancia según las condiciones del ambiente que la rodea se mostrará en estados diferentes. Cuando los parámetros de presión y temperatura cambian, los estados también lo hacen. La forma de mostrarse cambia según las diferentes condiciones del ambiente.

 La Ida: elevando la temperatura…

 Cuando un sólido cristalino, recibe calor si cambio de presión exterior, la sustancia que lo compone comienza a absorberlo y eleva su temperatura. Las moléculas adquieren energía que aumenta sus movimientos vibratorios en el lugar. Cuanto más calor recibe más energía poseerán y más movimiento vibratorio tendrá,  en cierto momento la estructura cristalina se desmoronará y pasará la materia al estado líquido. Este punto de desmoronamiento se llama punto de fusión. Es un punto característico para cada uno de los sólidos de la naturaleza (para el agua pura es de 0ºC) a tal punto que sirve como identificador de la sustancia. No hay dos sustancias con el mismo punto de fusión.

Mientras toda la masa cambia de estado, la energía que recibe no provoca aumento de temperatura del sistema porque es  usada para cambiar de estado fusión)

Si sigue recibiendo calor el estado liquido, aumentará su temperatura y por consiguiente también aumentara la energía cinética (velocidad) de sus moléculas. Las que se encuentren cerca de la superficie podrán escaparse del estado líquido con más facilidad y se producirá evaporación, pero aún la masa ayudada por la atmósfera que ejerce presión (comprime) y no permite al pasaje al estado gaseoso, seguirá reteniendo al resto de las moléculas y aumentando su temperatura.

 En un determinado instante, el aumento de la cantidad de calor  hará que, las moléculas de esa masa liquida tengan suficiente energía como para superar la presión atmosférica que las retiene y todo el sistema adquiere capacidad de cambiar de estado. Se observará un borboteo que indica que se alcanzó la temperatura del punto de ebullición y que todas las moléculas están en condiciones de pasar al estado gaseoso. Este punto también es un identificador de cada sustancia. No existen dos sustancias en la naturaleza que posean la misma temperatura de ebullición.

Mientras la sustancia cambia de estado, el calor recibido lo utiliza para efectuar el cambio y no para aumentar su temperatura. Hasta que toda la masa líquida se consuma la temperatura permanece constante.

La vuelta: Cuando la temperatura decrece…

Pensemos en un gas con sus moléculas libres, con mucha energía de movimiento. Cuando baja la temperatura, la sustancia pierde calor y en consecuencia  las moléculas se moverán más lentamente, lo que facilitará la asimetría de la nube de electrones que rodea a los núcleos atómicos.  Se   forman dipolos transitorios que facilitan el acercamiento por atracción molécula a molécula. Cuando se acercan lo suficiente pegándose entre sí alcanzan la temperatura del  punto de condensación, pasando así del estado gaseoso al líquido, reduciendo su volumen y aumentando su densidad.

Este punto coincide con la  temperatura de ebullición (para agua pura será de 100 ºC). Si el calor sigue disminuyendo, la energía de movimiento será aún menor permitiendo que las  moléculas se ordenen en el espacio, ocupen lugares que les sean favorables energéticamente acorde a la geometría espacial. Se irá formando un cristal, en un determinado instante el liquido se solidifica, su  temperatura coincide con la del punto de fusión (0 ºC para el agua pura).

Los cambios de estado no sólo se inducen con un aumento o disminución de la temperatura sino que también se producen por una variación de presión.

La presión es una variable que al aumentar provoca el acercamiento molecular y obstaculiza el desprendimiento molecular de la masa de sustancia, en este caso se necesitará mayor  energía  para provocar el cambio entregando mayor cantidad de calor. La temperatura del punto de ebullición aumenta.

Cuando la presión disminuye permite el alejamiento molecular y facilita el desprendimiento de la masa de sustancia que retiene. Se necesita menor cantidad de energía para provocar el cambio. La temperatura del punto de ebullición disminuye.

Estas variables termodinámicas se utilizan frecuentemente en la industria para provocar cambios de estados y con ellos desprendimientos o absorciones  de calor que tienen prácticas aplicaciones tecnológicas.

El misterio de los estados CF N° 245

Autora: María Cristina Chaler.  

Ciencia Fácil Número 245

Serie: Una mirada de la química diferente 

El misterio de los estados.

Sólido, líquido y gaseoso

Cada día estoy más convencida de que el hombre es un engranaje en la maravilla Universal y que aún nos falta muchísimo camino por recorrer y en ese recorrido seguiremos asombrándonos.

Los estados más conocidos

Desde niños interaccionamos con sustancias y sus estados nos son   conocidos. Las nubes o el vapor que despide una pava con agua hirviendo, la lluvia, el granizo que muchas veces causa estragos en las cosechas. Todos ellos materia en diferentes estados: gaseoso, líquido y sólido.  

Cada estado posee características que le son propias y su secreto  se encuentra inmerso en el interior de la misma. La electricidad es la causante de la forma exterior  en que muestra.

Secretos del interior de un sólido

·        En el estado sólido impera el orden,  la atracción entre moléculas  es muy fuerte, y los espacios entre ellas son pequeños.

·        Un sólido resulta muy difícil de comprimir, es sumamente rígido.

·        Sus moléculas ocupan lugares fijos en el espacio generando algún tipo de cuerpo geométrico. Si las partículas que forman al sólido están cargadas eléctricamente (iones) formarán parte de lo que se denomina estructura cristalina.

·        El sólido no difunde eso significa que si pusiéramos en contacto un sólido con otro, sus moléculas no se ínter-penetran.    

·        Tienen volumen y forma propia, ya que no se adaptan al recipiente que los contiene.

·        Su movilidad molecular se limitará a la vibración de sus partículas en un lugar fijo.

Hay un tipo de “sólidos” que son sustancias con apariencia sólida pero no poseen estructura cristalina, estos se denominan sólidos amorfos, en realidad se comportan como un líquido cuyas moléculas se mueven en forma extremadamente lenta y se muestran ante nuestros ojos como sólidos. El vidrio es uno de ellos. Los vidrios de las antiguas catedrales presentan un engrosamiento en la parte inferior porque en realidad sus moléculas  afectadas por la gravedad fueron cayendo  a lo largo del tiempo por falta de la estructura cristalina.

El líquido también tiene secretos

·        En el estado líquido la atracción molecular es más débil que en el estado sólido.

·        Sus moléculas poseen movilidad (energía cinética).Fluye.

·        Las fuerzas atractivas son lo suficientemente fuertes. Sus moléculas   se aglomeran, deslizándose unas sobre otras, poseyendo una gama de velocidades que variará según el lugar que ocupen en la masa liquida.

·        El líquido es prácticamente incompresible

·        Poseen volumen propio.

·        No tienen forma pues carecen de estructura cristalina sus moléculas   adoptan la forma del recipiente que las contiene, presentándose ante nuestros ojos con una masa móvil (fluido).

·        Difunden uno en  otro cuando  se ponen en contacto. Esto lo podemos comprobar con un pequeño experimento: con dos líquidos coloreados luego de cierto tiempo los colores se mezclarán y quedará un único color producto de la mezcla de ambos.

·        Las moléculas que se encuentran cerca de la superficie de la masa líquida, si tienen la suficiente energía cinética pueden desprenderse  generando un fenómeno denominado evaporación.

·        Cuando  dos líquidos se mezclan, el volumen resultante será prácticamente igual a la suma de los volúmenes de cada uno de ellos. Se dice que poseen volúmenes aditivos.

Analicemos al estado gaseoso

·        En el estado gaseoso hay muy poca atracción entre las moléculas a temperatura ambiente

·        Las moléculas poseen una gran movilidad  

·        La fuerza repulsiva resulta más predominante que la atractiva.

·        Se expanden por todo el recipiente que las contiene.

·        No tienen volumen ni forma propia.

·        Difunden rápidamente. Dos o más gases en contacto ocuparán todo el recipiente.

·        El volumen de la  mezcla de gases  será siempre el del recipiente que los contiene. Los volúmenes no son aditivos.

·        El gas se comprime sus espacios intermoleculares son grandes.

·        Las moléculas del gas poseen muchísima movilidad (energía cinética) y en un mismo momento el sistema gaseoso posee  moléculas con diferentes rangos de velocidades. 

Un Universo en la materia_ Átomo II C F N° 244

Autora: María Cristina Chaler. 

Ciencia Fácil Número 244

Serie: Una mirada de la química diferente.

Otra clase de materia_ Átomo II

La materia invisible, la que no es impenetrable, la que no ejerce presión.
También es materia

La materia que vulgarmente conocemos se denomina fermiónica. Es impenetrable y no hay cuerpo que sea capaz de ocupar el lugar de otro sin desplazarlo. 

Hay otra materia con propiedades diferentes se superpone noes contundente y no todos la conocen. 

En la nota anterior (átomo I) conocimos los secretos de la materia fermiónica, formada por partículas llamadas fermiones y llegamos a las siguientes conclusiones:

·        Los quarks son los constituyentes de este tipo de materia y están en el núcleo.

·        Los Leptones son los que ocupan el espacio atómico vacío.

·        Cada partícula subatómica posee su correspondiente anti-partícula.

El núcleo atómico esta formado por:

·        Neutrones y protones, llamados  bariones: conjunto de tres quarks con sus  y respectivos antiquarks.

·        Un quarks y su antiquarks forman hadrones.

 Fuera del núcleo en el vacío

·        Los leptones y antileptones.

1.     El giro de las partículas (spin) fermiónicas es un número semi entero.

2.     Todas estas partículas cumplen con el principio de exclusión de Pauli

3.     la materia fermiónica es impenetrable y ejerce presión.

Hay otros misterios para muchos desconocidos

En la esencia de la materia no hay quietud, todo es movimiento. Las partículas se trasladan, vibran y giran sobre sí mismas.

El giro de las partículas sobre sí mismas, es una propiedad que recibe el nombre de spin. Si estos giros (número de vueltas por segundo) son múltiplos de números enteros (1, 2, 3, 4,) se dice que el spin es entero y cuando es cero se asume que la partícula no gira.

Hay un tipo de materia formada por partículas que pueden ocupar el mismo  espacio en el mismo momento, no poseen la propiedad de impenetrabilidad. En ella las partículas giran con un número de vueltas enteras generando   materia con propiedades diferentes, denominada bosónica. Coexiste con la fermiónica, y es la causante de generar las interacciones débiles o fuertes entre las diferentes partículas y los fenómenos electromagnéticos (electricidad y magnetismo).

Las partículas que forman a la materia bosónica se llaman bosones.

Los bosones fundamentales son:

·        Bosones W+/- (léase W positivo y negativo)

·        Bosones Z (zeta)

·        · Gluones (g) (ge)

·        Fotón ( con spin =1 )(γ)(gamma)

·        Bosón de Higgs (H) (hache). Recientemente detectado en el acelerador del CERN o la llamada máquina de dios.

Repetimos

Los bosones son los mediadores de las fuerzas y son partículas fundamentales (no compuestas) que generan las interacciones entre los fermiones.

Los bosones W y Z son los responsables de las interacciones nucleares débiles y provocan fuerzas atractivas entre las partículas. La interacción débil es la causante de la radioactividad natural como por ejemplo la desintegración del neutrón.

En símbolos:

Neutrón-------protón (+) +electrón (-) +neutrino.

Observamos como el neutrón se transforma en protón (+) por perder un electrón nuclear (rayo β) y un neutrino.

El neutrino es una partícula fermiónica neutra de masa muy pequeña, se cree que es 200000 veces más pequeña que el electrón   

Hay tres tipos:

·        neutrino electrónico.

·        muónico  

·        tautónico

Afectados  por las fuerzas nucleares débiles.

La fuente más importante de neutrinos es el Sol. Millones y millones de ellos atraviesan permanentemente nuestro planeta. No interaccionan fácilmente con la materia y escapan de ella con facilidad. Forman parte de la radiactividad natural. Artificialmente se preparan en las centrales nucleares de los  aceleradores de partículas.

Los gluones (g) son ocho, generan las interacciones nucleares fuertes y de atracción. Son portadores de carga color y provocan la fuerza color. No poseen masa ni carga eléctrica sólo poseen carga color (color / anticolor) tiene giro (spin) entero como toda materia bosónica.

Veamos un ejemplo de transformación de materia en donde interviene un gluón

Quarks (rojo) --------quarks (azul) + gluón (rojo-antiazul)

Obsérvese que el quarks rojo se transforma en azul perdiendo el gluón rojo (color que se llevo del quarks original) con el antiazul (antipartícula del quarks azul que se formó).

La transformación del quarks se produjo por la eliminación del gluón.

La materia bosónica interacciona muy íntimamente con la fermiónica y es responsable de las distintas fuerzas de interacción entre las partículas interviniendo en las transformaciones que se producen en la misma.

Más sobre gluones

La  fuerza color es transmitida por  la carga color. El transmisor de esta fuerza es un Bosón llamado gluón.

Los quarks de diferentes hadrones que interaccionan entre sí, lo hacen a través de una “cuerda gluónica” Esta actúa como una “especie de resorte”. Cuando se alejan los tironea al estado original. Esta fuerza se llama fuerza residual. Si aplicamos una fuerza suficientemente grande ejerciendo un trabajo capaz de separar considerablemente a los hadrones el átomo reacciona creando materia en forma de quarks para reducir ese espacio vació que los separa, acorde  con la ecuación de Eintein (E = mc2) que predice el intercambio entre masa y energía.

Los fotones transmiten fuerzas electromagnéticas que pueden ser tanto atractivas como repulsivas y tienen largo alcance.

Conocemos  manifestaciones del electromagnetismo cotidiano tales como la luz con toda su gama de energías, desde los rayos infrarrojos hasta  los rayos ultravioletas, los rayos X, las ondas radiales, las ondas televisivas, los microondas, gama energética que contiene al espectro de colores que nuestros ojos son capaces de captar.

Para el hombre común estas partículas son las más conocidas ya que se  fueron generando a través de la historia distintas tecnologías usando las propiedades de las mismas.

El bosón de Higgs

Se cree que provoca interacciones débiles acaba de ser descubierto en la MAQUINA DE DIOS el gran colisionador de hadrones del Consejo Europeo de Investigación Nuclear (CERN).

Mucho esfuerzo y esperanza fueron puestas en este descubrimiento que lleva aparejado  un cambio de paradigma para la física. Hasta ahora esta parte del modelo de partículas era sólo teoría. Podemos decir que fue verificado experimentalmente y forma parte de una realidad científica del presente.

¡Felicitaciones para todos los científicos que pusieron su esfuerzo y su esperanza en esta investigación!  

Hay más partículas…

Otros bosones

Los Mesones son hadrones, fueron descubiertos en la radiación cósmica. Son partículas compuestas de masa intermedia entre la masa del protón y del electrón de ahí el nombre de mesón. Están formadas por dos quarks y son bosones. Hay mesones cargados y algunos neutros su función es evitar que los protones se repelan.

Sus clases son:

·        Pión

·        Kaón

·        Rho

·        Etha,

·        D+/-,

·        B neutros.

Son partículas que poseen quarks abajo y sus antiquarks.

Conozcamos más profundamente algunas

Los piones se encuentran en el interior de los núcleos e interaccionan fuertemente con el mismo. Su spin es igual a 0 (cero)

Hay tres tipos:

1.     pión neutro,

2.     positivo   

3.     negativo (π∘ π+ π-).

Están compuestos por un quarks y un antiquarks y reaccionan fuertemente con núcleos atómicos interaccionando con ellos.

Pión π+: es el de menor masa.

Este actúa intercambiando fuerzas entre protones y neutrones

Su descomposición en símbolos será:

π+ ------ neutrino + μ+

Observamos  un pión cargado positivamente que se descompone en un neutrino y un antimuón, ambas partículas componente de materia fermiónica.   El antimuón, tiene una masa 200 veces mayor que la del electrón y en este caso es la portadora de la carga positiva que pierde el pión

Pión π- : actúa entre el antiprotón (protón negativo) y el antineutrón (antipartícula del neutrón)

En símbolos

π- ------- μ- + neutrino

Aquí observamos como un pión negativo se descompone en un muón portador de la carga negativa que pierde y un neutrino.

Pión π: El pión neutro es sumamente inestable y de desintegra rápidamente en fotones.

π ∘------ 2γ

Y continuamos conociendo más partículas…

2. Kaón

Poseen una masa 970 veces mayor a la del electrón son partículas muy inestables y se desintegran rápidamente en piones en pocos micro segundos.

Los kaones de clasifican en:

·        Kaon- κ-

·        Kaon+κ+

·        Kaon κ∘

·        Kaon cero y su antipartícula.

Estas partículas se caracterizan por contener un quarks o antiquarks extraño y otro.

3. Rho

Estos forman parte de los hadrones blancos es decir aquellos que tienen carga color neutra. Se parecen a los piones pero su spin es 1

Sus clases son:

·        ρ+

·        ρ-

·        ρ∘

Hay más partículas exóticas.

Existen mesones exóticos que se encuentran fuera de la clasificación anterior estos son

·        Glueballs (bolas de pegamento).

·        Mesones híbridos.

·        Tetraquarks.

Los penta quarks aún no se han descubierto y se duda de su existencia.

Existen muchísimas  partículas más que están previstas pero aún no han sido descubiertas. Todo llega es sólo cuestión de esperar.

La mirada de la materia para los físicos y los químicos fue cambiando a través del tiempo y el hombre con el conocimiento se ha ingeniado y ha ido creando tecnologías que llevaron al progreso. Estas tecnologías avanzadas actualmente sirven para demostrar aquello que se predecía a través de cálculos matemáticos.

Ciencia y tecnología se retroalimentan entre sí, la tecnología hace uso de los conocimientos que aporta la ciencia. La ciencia logra demostrar científicamente sus predicciones mediante el avance tecnológico.

Se acompleja lo complejo_ Átomo CF N° 243

Autora: María Cristina Chaler. 

Ciencia Fácil Número 243

Serie: Una mirada de la química diferente.

Lo complejo se acompleja

Adelanta la tecnología y se complica el modelo

Y lo pequeño es aún más pequeño…
Y la materia es mucho más compleja de lo que pensábamos…
Y las verdades siguen cambiando...

Esa materia contundente e impenetrable que nos rodea recibe el  nombre de  materia fermiónica.

Los fermiones son todas las partículas materiales que giran sobre sí mismas con vueltas (Spin) semi enteras  o  múltiplo de ½ y cumplen con el Principio de exclusión de Pauli ninguna de esas partículas tiene juegos de números cuantiaos iguales al otra.

Los fermiones se llaman:

·        quarks  ( en el núcleo)

·        leptones ( en el vacío)

El átomo posee 6(seis) quarks y 6(seis) leptones es decir   12 sabores (quarks + leptones)

Estas extrañas partículas llamadas quarks…

Son partículas que poseen carga color e interaccionan entre sí con fuerza color (muy fuerte), con fuerza eléctrica y fuerza magnética

La carga color que ampliaremos en la  próxima nota: no es lo que vulgarmente conocemos como ta,l sino que es “algo” que genera fuerzas de interacción muy potentes entre las partículas atómicas.

Los sabores de los quarks son seis y son los constituyentes del núcleo atómico

Sus nombres:

·        Arriba (up) (u)

·        Abajo (down) (d)

·        Extraño (strange) (s)

·        Encantado (charm) (c)

·        Bottom (fondo) (f)

·        Cima (top) (t)

Los leptones…

No poseen carga color por lo tanto su fuerza de interacción es débil.

Sus sabores también son seis:

·        Electrón (e-)

·        Positrón (e+)

·        Tau (Τ-)

·        Muón (μ)

·        Electrón neutrino (υe)

·        Muneutrino (υμ)

Los tres primeros están cargados como se indica y los tres últimos no poseen carga eléctrica. Todos con masa despreciable. Los Leptones son los que ocupan el espacio atómico vacío

La aparición en los aceleradores de estas  partículas amplía el modelo tradicional. Los núcleos atómicos formados por neutrones y protones llamados ahora bariones, son partículas compuestas por otras partículas  más pequeñas  llamadas fermiones.

Los fermiones que hemos descrito hasta ahora son considerados partículas elementales, pero ya en los experimentos de la máquina de dios, es posible que dejen de serlo quizás  se puedan llegar a subdividir en partes más pequeñas. Esta es la “verdad” por el momento ya demostrada y verificada experimentalmente hasta que la tecnología demuestre que existe otra.

Los quarks y los leptones forman prácticamente toda la materia (fermiónica) visible y contundente que nos rodea.

Los opuestos se compensan y nuestro vocabulario se amplía.

Cada partícula de las mencionadas tiene su antipartícula que posee las mismas características pero su carga eléctrica es contraria. Si no está cargada la antipartícula resulta ser la misma partícula.

Existen los antiquarks y los antileptones.

Las parejas de partícula / antipartícula forman los hadrones que son partículas compuestas.

Resumiendo

·        El núcleo atómico esta formado por neutrones y protones, partículas  a su vez compuestas  por quarks

·        Los quarks y antiquarks forman los hadrones.

·        Fuera del núcleo los leptones y antileptones

Continuamos con estas maravillas de nuestra materia.

Los hadrones interactúan entre sí a través de los quarks que contienen, esta interacción es sumamente fuerte y se efectúa por la fuerza color que cada quarks ejerce según la carga color que posea, de este modo se mantiene la coherencia nuclear. La separación de este tipo de interacción requiere enormes cantidades de energía. La conocemos como energía nuclear.

El color que no es color…

La carga color del quarks se clasifica en roja, verde o azul y los antiquarks poseen cargas antirojo, antiverde y antiazul esas cargas color ejercen fuerzas como una cuerda potente que mantiene unidos a los hadrones cuyos quarks interaccionan. Así el núcleo atómico permanece estable.

Cuando se intenta separar a los quarks el campo color no lo permite, ejerciendo una enorme fuerza  que los mantenga unidos.

Cuando se ejerce  un enorme trabajo y se logra  separar considerablemente a los quarks que interaccionan entre distintos hadrones, se acumula tanta energía  que el equilibrio atómico se restablece creando nueva materia, es decir nuevos quarks para que  disminuya esa separación provocada. Es una verificación de la famosa ecuación del iluminado Eintein E = mc2  que muestra el intercambio de materia en energía, en la actualidad  perfectamente comprobada. La  materia y energía se transforman mutuamente.

Más partículas y más nombres

Un conjunto de 3(tres) quarks con sus tres antiquarks recibe el nombre de Barión

¿Que tipos de bariones posee el núcleo?

·        Nucleones

·        Protones

·        Neutrones

·        Hiperones (partículas que poseen por lo menos un quarks extraño) y son más pesadas que los nucleones su t1/2 es muy pequeño.

·        Y Otros que poseen quarks encantados y quarks de fondo

Todavía no se demostró la presencia de bariones exóticos llamados penta quarks que estarían formados por cuatro quarks y un antiquarks. Pero se supone que existen. Sólo hay que esperar, la física teórica genera sueños premonitorios.

La naturaleza demuestra día a día a los hombres su inmensidad de lo pequeño, el científico se debe asombrar ante tanta maravilla...
El hombre a través de la Ciencia y con su enorme inteligencia va descubriendo lo que siempre estuvo. Aún le falta muchísimo por descubrir.