Un campo de investigación reciente y muy interesante es el de las máquinas moleculares. Inspirándose en la mecánica biológica, muchos han buscado formar sistemas moleculares en movimiento para generar trabajo que promete tener muchas aplicaciones. De interés especial para estos propósitos son un tipo de moléculas llamadas catenanos y rotaxanos. Los catenanos son estructuras formadas por la interconexión de dos o más macrociclos para formar una especie de cadena, con cada macrociclo tomando el papel de un eslabón. Los rotaxanos son estructuras con una molécula en forma de mancuerna rodeada en el centro por un macrociclo.
Los primeros catenanos y rotaxanos fueron sintetizados en la década de 1960, pero no fue sino hasta hace unos años que se empezaron a considerar estas estructuras como posibles fuentes de una aplicación importante. Al principio, la síntesis de este tipo de estructuras era muy difícil ya que se utilizaban únicamente fuerzas intermoleculares e interacciones ácido-base para dirigir la reacción. Sin embargo, en la actualidad ya no existen ese tipo de impedimentos ya que se han diseñado métodos de síntesis que incorporan metales de transición para dirigir la reacción. Uno de los metales más empleados para esto es el cobre en estado de oxidación (I). Las estrategias más comunes consisten en formar un complejo con fragmentos coordinantes acíclicos para luego cerrar los fragmentos mediante una reacción de sustitución u otro tipo de reacción. El centro metálico puede ser removido posteriormente formando una sal insoluble con otro ligante para obtener el catenano libre.
La idea de producir motores moleculares con este tipo de estructuras proviene del estudio del mecanismo de la contracción muscular. En las células musculares existen arreglos en forma de fibras, con un filamento de miosina rodeado de filamentos de actina. El movimiento ocurre por deslizamiento de los filamentos impulsado por la hidrólisis del ATP. Haciendo una analogía con esta función biológica, se han preparado estructuras moleculares que presenten este tipo de movimiento. Uno de los sistemas más prometedores son los polipirroles que permiten doblar un polímero sólido en una dirección u otra dependiendo de la corriente eléctrica aplicada. Los rotoxanos se basan en el mecanismo de los sarcómeros del músculo, y el ciclo central no permite que la cadena en forma de mancuerna se deslice completamente fuera del sistema. Sin embargo un método químico interesante consiste en el intercambio de centros metálicos en un catenano. Para esto es importante que los ciclos tengan varios átomos donadores.
La promesa de esta tecnología se ha manifestado en la industria de la computación. La naturaleza móvil tanto de los rotaxanos como de los catenanos hace que se comporten como interruptores moleculares, lo cual implica una amplia gama de aplicaciones tecnológicas. Se ha pensado en ocupar estas moléculas para producir chips muy pequeños, donde los rotaxanos actúen como transistores. También se están desarrollando aplicaciones en las que funcionen como sistemas de almacenamiento de información para producir computadoras moleculares. De igual forma pueden ocuparse como sensores moleculares. Este tipo de aplicaciones se han trabajado ampliamente en los últimos años y se ha hecho un gran avance, pero aún es muy temprano para asegurar su efectividad y si serán capaces de cumplir las expectativas que han generado.
lunes, 27 de mayo de 2013
4.7.5 Aplicaciones de electroquímica en electrónica
La electroquímica, rama de la química que estudia las interrelaciones entre los procesos químicos y los procesos eléctricos. El flujo de electrones desde un punto a otro se llama corriente eléctrica. Cuando la concentración de electrones se iguala en ambos puntos, cesa la corriente eléctrica.
El material por el cual fluyen los electrones se denomina conductor.
Los conductores pueden ser de dos tipos: conductores electrónicos o metálicos, y los conductores electrolíticos. La conducción tiene lugar por la migración directa de los electrones a través del conductor bajo la influencia de un potencial aplicado.
El punto principal de el presente trabajo, será la electroquímica, las aplicaciones que esta posee, cuales son sus unidades fundamentales.
Los procesos químicos son de una relativa importancia tanto a nivel industrial como a nivel ecológico y natural.
Los conductores pueden ser de dos tipos: conductores electrónicos o metálicos, y los conductores electrolíticos. La conducción tiene lugar por la migración directa de los electrones a través del conductor bajo la influencia de un potencial aplicado.
El punto principal de el presente trabajo, será la electroquímica, las aplicaciones que esta posee, cuales son sus unidades fundamentales.
Los procesos químicos son de una relativa importancia tanto a nivel industrial como a nivel ecológico y natural.
Con el desarrollo de el trabajo presentado pudimos conocer un poco mas sobre la electroquímica y su funcionamiento, también la aplicación que esta tiene a nivel industrial y comercial. También sobre los puntos relacionados con la electroquímica.
Se hablo también sobre la electrolisis, los procesos de oxido - reducción y su importancia a nivel industrial.
1. Demostrar que las reacciones químicas producen energía y que esta energía es electricidad.
2. Que estas reacciones químicas son reacciones de oxidación y otras de reducción.
3. Demostrar con sencillo ejemplo la fabricación de una batería casera.
4. Otras fuentes que desarrollan energía.
Aplicaciones de electroquímica en la electrónica
Las baterías o pilas como comúnmente se les conoce, tiene más de 200 años de existencia, desde su primer modelo primitivo hasta lo modernos productos que existen en la actualidad, como pilas alcalinas, pilas recargables, etc
4.7.4 Electro depósito (cálculo de electro depósito)
La electrodeposición, o galvanoplastia, es un proceso electroquímico donde los cationes metálicos contenidos en una solución acuosa se depositan en una capa sobre un objeto conductor. El proceso utiliza una corriente eléctrica para reducir sobre la superficie del cátodo los cationes contenidos en una solución acuosa. Al ser reducidos los cationes precipitan sobre la superficie creando un recubrimiento. El espesor dependerá de sus diversos factores (dependiendo de las condiciones donde se trabaje).
La electroposición se utiliza principalmente para conferir una capa con una propiedad deseada (por ejemplo, resistencia a la abrasión y al desgaste, protección frente a la corrosión, la necesidad de lubricación, cualidades estéticas, etc.) a una superficie que de otro modo carece de esa propiedad.
Otra aplicación de la electroposición es recrecer el espesor de las piezas desgastadas mediante el cromo duro.
Otra aplicación de la electroposición es recrecer el espesor de las piezas desgastadas mediante el cromo duro.
La pieza que se desea recubrir se sitúa en el cátodo del circuito, mientras que el ánodo es del metal con el que se desea recubrir la pieza. El metal del ánodo se va consumiendo, reponiendo el depositado.
En otros procesos de electrodeposición donde se emplea un ánodo no consumible, como los de plomo o grafito, los iones del metal que se deposita debe ser periódicamente repuestos en el baño a medida que se extraen de la solución.
4.7.3 Calculo de la fem y potenciales de óxido reducción
La termoquímica dice que una reacción será espontánea cuando la variación de energía libre que la acompaña sea negativa, es decir cuando haya una disminución de la función de estado G
Si
Por otra parte la energía eléctrica producida por un generador de fem E cuando hace circular una carga eléctrica Q por todo el circuito nos la da la ecuación del trabajo eléctrico:
W = QE
La carga Q es la transportada por los electrones que van de un electrodo a otro, y su valor es
Como
De esta manera se llega a la condición decisiva para predecir si una reacción redox será espontánea o no:
Una reacción será espontánea si la pila formada por sus dos semireacciones tiene una fem positiva.
“A medida que la Fem es más positiva
Unidades de la Fem: Voltios
¿Cómo se mide?
Con un circuito potenciométrico
Partes de la pila
- Electrodo de oxidación (Ánodo, pérdida de electrones)
- Electrodo de reducción (Cátodo, ganancia de electrones)
Medio para la transferencia de carga
Fem = E reducción - E oxidación
En cada electrodo se realiza un trabajo
A medida que Eoxidación es más (+)
A medida que Ereducción es más (+)
A medida que Ereducción es más (+)
4.7.2 Fuerza electromotriz (fem) en una celda electroquímica
La celda electroquímica es un dispositivo experimental para generar electricidad mediante una reacción redox espontánea en donde la sustancia oxidante está separada de la reductora de manera que los electrones deben atravesar un alambre de la sustancia reductora hacia la oxidante.
En una celda el agente reductor pierde electrones por tanto se oxida. El electrodo en donde se verifica la oxidación se llama ánodo. En el otro electrodo la sustancia oxidante gana electrones y por tanto se reduce. El electrodo en que se verifica la reducción se llama cátodo.
La corriente eléctrica fluye del ánodo al cátodo porque hay una diferencia de energía potencial entre los electrodos. La diferencia de potencial eléctrico entre el ánodo y el cátodo se mide en forma experimental con un voltimetro, donde la lectura es el voltaje de la celda
Tipos de celdas:
Cuba electrolítica, mostrando los electrodos y la fuente de alimentación que genera la corriente eléctrica.
- La celda voltaica transforma una reacción química espontánea en una corriente eléctrica, como las pilas y baterías. También reciben los nombres de celda galvánica, pila galvánica o pila voltaica.
4.7.1 Reacción óxido reducción en electroquímica
La electroquímica estudia los cambios químicos que producen una corriente eléctrica y la generación de electricidad mediante reacciones químicas. Es por ello, que el campo de la electroquímica ha sido dividido en dos grandes secciones. La primera de ellas es la Electrólisis, la cual se refiere a las reacciones químicas que se producen por acción de una corriente eléctrica. La otra sección se refiere a aquellas reacciones químicas que generan una corriente eléctrica, éste proceso se lleva a cabo en una celda o pila galvánica.
Celdas electrolíticas: son aquellas en las cuales la energía eléctrica que procede de una fuente externa provoca reacciones químicas no espontáneas generando un proceso denominado electrólisis. Las celdas electrolíticas constan de un recipiente para el material de reacción, dos electrodos sumergidos dentro de dicho material y conectados a una fuente de corriente directa.
Celdas voltaicas o galvánicas: son celdas electroquímicas en las cuales las reacciones espontáneas de óxido-reducción producen energía eléctrica. Las dos mitades de la reacción de óxido reducción, se encuentran separadas, por lo que la transferencia de electrones debe efectuarse a través de un circuito externo.
La electrolisis como proceso de Óxido Reducción: Se tiene un recipiente o cuba electrolítica compuesta por dos electrodos inertes conectados a una fuente de corriente. Al colocar una solución electrolítica en el recipiente y hacer pasar una corriente eléctrica, los iones positivos de la solución se mueven hacia el cátodo (cationes) y los iones negativos hacia el ánodo (aniones).La reducción ocurre en el cátodo y la oxidación en el ánodo.
Celdas electrolíticas: son aquellas en las cuales la energía eléctrica que procede de una fuente externa provoca reacciones químicas no espontáneas generando un proceso denominado electrólisis. Las celdas electrolíticas constan de un recipiente para el material de reacción, dos electrodos sumergidos dentro de dicho material y conectados a una fuente de corriente directa.
Celdas voltaicas o galvánicas: son celdas electroquímicas en las cuales las reacciones espontáneas de óxido-reducción producen energía eléctrica. Las dos mitades de la reacción de óxido reducción, se encuentran separadas, por lo que la transferencia de electrones debe efectuarse a través de un circuito externo.
La electrolisis como proceso de Óxido Reducción: Se tiene un recipiente o cuba electrolítica compuesta por dos electrodos inertes conectados a una fuente de corriente. Al colocar una solución electrolítica en el recipiente y hacer pasar una corriente eléctrica, los iones positivos de la solución se mueven hacia el cátodo (cationes) y los iones negativos hacia el ánodo (aniones).La reducción ocurre en el cátodo y la oxidación en el ánodo.
4.7 Cálculos estequiométricos con reacciones químicas
Es el cálculo de las relaciones cuantitativas entre los reactantes y productos en el transcurso de una reacción química.12 Estas relaciones se pueden deducir a partir de la teoría atómica, aunque históricamente se enunciaron sin hacer referencia a la composición de la materia, según distintas leyes y principios.
Los pasos que debes seguir son los siguientes:
- Se escribe la reacción química con las fórmulas.
- Se ajusta la reacción química.
- Se calcula a un lado la masa de un mol de la sustancia que nos dan (dato) y la masa de un mol de la sustancia que nos piden (incógnita).
- Se escribe debajo de la sustancia correspondiente el dato que da el problema y debajo de la sustancia correspondiente el símbolo de lo que nos piden (m para masa, n para número de moles, ...)
- Una vez escrito todo lo que se puede extraer del enunciado se siguen los siguientes pasos:
· En caso de que no nos den el número de moles del dato, se calcularán a partir de la masa en gramos del mismo.
· Calcular el número de moles de la sustancia incógnita utilizando la relación estequiométrica entre el dato y la incógnita; es decir los coeficientes estequiométricos del dato y de la incógnita. Aquí acaba el problema si lo único que nos piden es el número de moles de la incógnita.
· Si nos piden la masa de la incógnita, deberás calcular la masa en gramos de la incógnita a partir del número de moles obtenido en el paso anterior.
4.6 Aplicaciones
En todo ocurren reacciones químicas, inclusive nosotros mismos las producimos, al comer, al respirar etc.
Las reacciones químicas que se producen en la naturaleza son importantes, porque permiten la transformación constante de la materia asi cumpliendo con la ley de Laivoisier, además de ayudarnos a vivir, las reacciones química han ayudado a la mejor calidad de los seres vivos inclusive a la economía mundial.
Algunos ejemplos de ellas:
Fotosíntesis: Reacción que se produce en las células vegetales.en presencia de la luz, las plantas transforman el dióxido de carbono que toman del aire, y el agua que absorben del suelo, en glucosa, un carbohidrato rico en energía química.La fotosíntesis puede resumirse en la siguiente ecuación:
Fotosíntesis: Reacción que se produce en las células vegetales.en presencia de la luz, las plantas transforman el dióxido de carbono que toman del aire, y el agua que absorben del suelo, en glucosa, un carbohidrato rico en energía química.La fotosíntesis puede resumirse en la siguiente ecuación:
6 CO2 + 6 h2O -----------------> C6H12O6 + 6 O2
Respiración celular:Este proceso consiste en una serie de reacciones químicas que ocurren al interior de las células de los organismos vivos.Durante la respiración celular, los nutrientes obtenidos a través de la alimentación son procesados para extraer de ellos la energía almacenada en sus enlaces químicos.
C6H12O6 + 6O2 ----------------------------------> 6CO2 + 6H2O + Energía
Combustión: Es una reacción química que se produce cuando un combustible se combina con un comburente el oxigeno , produciéndose dióxido de carbono , vapor de agua y energía en forma de luz y calor.
Los combustibles son sustancias que contienen energía química almacenada, la que proviene de las fuerzas que mantienen unidos a los átomos que componen el combustible.
Corrosión de metales: La corrosión es la oxidación de los metales en presencia de aire y humedad.Es muy probable que en más de una ocasión hayas visto los efectos de esta reacción química , en el deterioro que sufren los metales cuando quedan a la intemperie, como maquinarias herramientas, automoviles, entre muchos otros.
El fierro es un metal que se oxida fácilmente por acción combinada del aire y de la humedad, formando un óxido de color rojizo llamado herrumbre.
Putrefacción de la materia orgánica: Seguramente has observado un trozo de carne, pan o fruta en esta de descomposición y comprobado que su aspecto y olor son muy desagradables.La putrefacción es una reacción química de degradación de materia orgánica producida por microorganismos, como bacterias y hongos, denominados descomponedores
4.5 Óxido-Reducción
Son reacciones químicas importantes que están presentes en nuestro entorno. La mayoría de ellas nos sirven para generar energía.
Todas las reacciones de combustión son de óxido reducción. Este tipo de reacciones se efectúan, cuando se quema la gasolina al accionar el motor de un automóvil, en la incineración de residuos sólidos, farmacéuticos y hospitalarios; así como, en la descomposición de sustancias orgánicas de los tiraderos a cielo abierto, los cuales generan metano que al estar en contacto con el oxígeno de la atmósfera se produce la combustión
Una reacción de óxido reducción se da con la pérdida o ganancia de electrones, lo cual incluye: cualquier reacción inorgánica (oxidación o reducción de metales) u orgánica (combustión de combustible ya sea gasolina, madera, carbón) e incluso en seres vivos, la reacción óxido reducción se manifiesta en el metabolismo que es el consumo y transformación de alimentos en energía.OXIDACION
PIERDE ELECTRONES (aumenta nuemero de oxidacion)
------------------------->
(-) --------------------------------------------- (+)
<-----------------------------------
GANAN ELECTRONES (Disminuye numero de oxidacion)
REDUCCION
Una reacción de óxido-reducción se caracteriza porque hay una transferencia de electrones, en donde una sustancia gana electrones y otra sustancia pierde electrones:
• la sustancia que gana electrones disminuye su número de oxidación. Este proceso se llama Reducción.
• la sustancia que pierde electrones aumenta su número de oxidación. Este proceso se llama Oxidación.
Por lo tanto, la Reducción es ganancia de electrones y la Oxidación es una pérdida de electrones
4.4 Neutralización
Una reacción de neutralización es aquélla en la cual reacciona un ácido (o un óxido ácido) con una base (u óxido básico). En la reacción se forma una sal y en la mayoría de casos se forma agua.
El único caso en el cual no se forma agua es en la combinación de un óxido de un no metal con un óxido de un metal.
El único caso en el cual no se forma agua es en la combinación de un óxido de un no metal con un óxido de un metal.
4.3 Sustitución (Simple y Doble)
Existen dos tipos de reacciones de desplazamiento:
*Desplazamiento simple o sustitución
*Desplazamiento doble o intercambio.
En el desplazamiento simple se reemplaza un solo elemento de la reacción por otro elemento en un compuesto. Se le da el nombre de desplazamiento simple porque un solo elemento desplaza a otro elemento en un compuesto.
______________________________________________________________________
En el desplazamiento doble se reemplazan dos elementos de la reacción. En una reacción de desplazamiento doble, la parte positiva de un compuesto se une a la parte negativa del otro compuesto.
4.2 Descomposición o análisis
En una reacción de descomposición, una sola sustancia se descompone o se rompe, produciendo dos o más sustancias distintas. A este tipo de reacciones se le puede considerar como el inverso de las reacciones de combinación. El material inicial debe ser un compuesto y los productos pueden ser elementos o compuestos. Generalmente se necesita calor para que ocurra la reacción. La forma general de estas ecuaciones es la siguiente:
4.1 Combinación
Consiste en que dos o más reactantes forman un solo producto. En este tipo de reacciones generalmente se libera calor, es decir que son exotérmicas. Es típica en la formación de un compuesto por combinación directa de sus elementos (síntesis).
La representación de sus elementos:
Algunos ejemplos:
Metal + no metal
Para los metales de los grupos IA, IIA y también para el aluminio, zinc y plata, siempre podemos predecir el producto que han de formar. Para otros metales que tienen estado de oxidación variable, el producto final depende de las condiciones de reacción, pero generalmente se necesita más información para predecir el producto. Esta reacción es muy exotérmica, es decir que libera bastante energía. En el recipiente se ha agregado arena para absorber el calor y, finalmente, unas gotas de agua para acelerar la reacción química.
No metal + oxígeno
En general, hay una variedad de productos que pueden formarse en reacciones de este tipo. Por ejemplo cuando el carbono se combina con el oxígeno, si la cantidad de oxígeno presente es limitada, el producto es monóxido de carbono (CO); si hay un exceso de oxígeno, el producto es dióxido de carbono (CO2).
Oxido de metal + agua
Por ejemplo, el óxido de calcio (CaO) se combina con el agua para formar hidróxido de calcio.La fórmula del hidróxido formado está determinada por el conocimiento del número de oxidación del metal y la carga del ion hidroxilo (OH-). Si el metal presenta más de un estado de oxidación el estado de oxidación en el hidróxido es siempre igual al que tenía el óxido. Por ejemplo, el óxido de hierro (III) forma el hidróxido de hierro (III). Debido a la formación del hidróxido del metal o base, a partir del óxido de metal en agua, el óxido del metal es algunas veces llamado óxido básico.
Oxido de metal + agua
Los óxidos de no metales reaccionan con agua para formar oxácidos . Por esta razón son frecuentemente llamados óxidos ácidos. Ejemplo, el dióxido de azufre reacciona con agua para formar ácido sulfuroso según la siguiente ecuación:
Oxido de metal + óxido de no metal
Estas reacciones se pueden considerar como reacciones de neutralización. Puesto que el óxido del metal es un anhídrido básico y el óxido de un no metal es un anhídrido ácido, la combinación de éstos para formar la sal es realmente un tipo de reacción ácido-base. Una forma de predecir el producto formado en reacciones de este tipo es considerar cuál base o hidróxido el óxido de metal formaría es estuviera en agua y cuál ácido el óxido del no metal formaría si estuviera en agua. Luego decidiendo cuál sal pueden formar el ácido y la base se determina el producto.
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