Estados de energía de las especies químicas

La teoría cuántica fue propuesta por primera vez en 1900 por Max Planck, un físico alemán, para explicar las propiedades de la radiación emitida por los cuerpos calientes. La teoría más tarde se amplió para racionalizar otros tipos de procesos de emisión y absorción. Dos importantes postulados de la teoría cuántica incluyen:

1. Los átomos, iones y moléculas sólo pueden existir en ciertos estados discretos, caracterizados por cantidades definidas de energía. Cuando una especie cambia su estado, absorbe o emite una cantidad de energía exactamente igual a la diferencia de energía entre los estados.
2. Cuando los átomos, iones o moléculas absorben o emiten radiación al realizar la transición de un estado de energía a otro, la frecuencia v o la longitud de onda λ de la radiación se relaciona con la diferencia de energía entre los estados por la ecuación: E₁-E₀ = hv =hc/λ, donde E₁ es la energía del estado superior y E0 la energía del estado inferior. Los términos c y h son la velocidad de la luz y la constante de Planck, respectivamente.

Para átomos o iones en estado elemental, la energía de cualquier estado proviene del movimiento de los electrones alrededor del núcleo cargado positivamente. Consecuentemente, los distintos estados de energía se denominan estados electrónicos. Además de los estados electrónicos, las moléculas también tienen cuantizados los estados vibracionales interatómicas, y los estados rotacionales, que provienen de la rotación de las moléculas alrededor de sus centros de gravedad.

El estado de energía más bajo de un átomo o molécula es su estado fundamental. Los estados de energía superiores se denominan estados excitados. Generalmente a temperatura ambiente, las especies químicas se encuentran en su estado fundamental.   

               
                                                                         
 

Dispersión de la Radiación

La transmisión de la radiación a través de la materia puede representarse como una retención momentánea de la energía radiante por átomos, iones o moléculas, seguida de una reemisión de la radiación en todas las direcciones cuando las partículas vuelven a su estado inicial. En el caso de partículas atómicas o moléculas que son pequeñas respecto a la longitud de onda de la radiación, la interferencia destructiva elimina la mayor parte, aunque no toda, de la radiación reemitida, excepto aquella que se desplaza en la dirección inicial del haz; como consecuencia de la interacción, la trayectoria del haz parece no haberse alterado. Sin embargo, una observación  cuidadosa revela que una fracción muy pequeña de la radiación se transmite en todas las direcciones a partir de la trayectoria inicial y que la intensidad de esta radiación dispersada aumenta con el tamaño de la partícula.

Dispersión Rayleigh

La dispersión por moléculas o agregados de moléculas de dimensiones bastante menores que la longitud de onda de la radiación se denomina dispersión Rayleigh; su intensidad es proporcional al inverso de la cuarta potencia de la longitud de onda, a las dimensiones de las partículas dispersantes y al cuadrado de la polarizabilidad de las partículas. Una manifestación cotidiana de la dispersión Rayleigh es el color azul del cielo, consecuencia de la mayor dispersión de las longitudes de onda más cortas del espectro visible.

Dispersión por moléculas grandes

Con partículas de dimensiones coloidales, la dispersión llega a ser lo bastante intensa para que el ojo humano la perciba (efecto Tyndall). La medida de la radiación dispersada se utiliza para determinar el tamaño y la configuración de moléculas de polímeros y partículas coloidales.

Dispersión Raman

La dispersión Raman se diferencia de la dispersión ordinaria en que parte de la radiación dispersada sufre cambios cuantizados de frecuencia. Estos cambios son el resultado de transiciones entre niveles de energía vibracionales de la molécula que se producen como consecuencia del proceso de polarización.

MICROCONTROLADORES

Microcontroladores PIC

Un microcontrolador PIC es una computadora de muy bajo costo, este chip manufacturado por Microchip Technology, Inc. es un microcontrolador muy similar a los microprocesadores empleados en una PC, pero mucho más pequeño y barato, optimizado para trabajar en operaciones cotidianas.

La diferencia entre un microprocesador y un microcontrolador básicamente es que este último integra en un solo chip los elementos periféricos que requiere el procesador para su operación.

Tiene una CPU (unidad de proceso central) que ejecuta los programas en el microcontrolador, dicho programa está guardado en la memoria de programa.

Tiene una memoria de datos temporal, al igual que la PC tiene una memoria RAM, en donde se almacenan momentáneamente las variables utilizadas por el programa. Y una no volátil que no borra los datos aún se desconecte el microcontrolador, así como en la PC sucede con el disco duro.

Tiene puertos de entrada y salida para interactuar con el entorno, al igual que la PC tienen dispositivos de entrada y salida, como son el teclado el ratón el monitor y la impresora.

Los microcontroladores son computadoras con un propósito en específico, y ejecutan un programa para este propósito.

Características de los Microcontroladores

• Unidad de Procesamiento Central o CPU:  Es el cerebro del sistema, lleva a cabo las funciones lógicas y aritméticas, siguiendo las instrucciones que lee de la memoria de programa, lee y escribe a la memoria de datos, tomando decisiones que controlan el estado de las entradas y salidas.
• Memoria de Programa: Es una memoria que almacena el código del programa el cual es leído por el CPU. Puede ser de varios tipos, solo lectura, ROM (Read Only Memory, Borrable eléctricamente y con capacidad de reescribir EEPROM (Erasable Electric Programmable Ready  Only Memory), y Flash que puede reescribirse y borrarse cientos de miles de veces.
• Memoria de Datos: Está formada por una memoria RAM (RAndom Access Memory), y en la mayoría de los modelos por una memoria EEPROM (Erasable Electric Programmable Ready Only Memory) que conserva las variables usadas por el programador, el CPU escribe y lee de esta memoria.
• Reloj: Es el corazón del sistema, genera una señal de frecuencia, su operación puede ser entre 1 a 40 MHz, su función es sincronizar todas las funciones del microcontrolador PIC, generalmente un cristal de cuarzo, resonador cerámico, circuito RC, o circuitos internos en el chip.
• Puertos de Entrada y Salida: Proporcionan la comunicación del microcontrolador con el mundo exterior.

Otras opciones: 

• Periféricos construidos en el hardware del microcontrolador, la siguiente lista son ejemplos de estos:              

                 - Puertos de comunicación

                         * Comunicación serie UART 

                            (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)

                         * I2C (Inter-Integrate Circuit)

                         * Interfaz de Periféricos Seriales SPI, (Serial Peripheral Interfaces)

                         * Red de Controladores (CAN, Controller Area Network)

                         * USB (Universal Serial Bus)

• Conversores Análogicos-Digitales (A/D, analog-to-digital) para convertir un nivel de voltaje presente en un pin a un valor digital manipulable por el programa del microcontrolador.
• Modulación de Ancho de Pulso PWM, (Pulse-Width Modulation) para generar ondas cuadradas de frecuencia fija con el ancho de pulso modificable.

El software

Sin un programa , el microcontrolador es solo una pieza de plástico y Silicio sin utilidad práctica, un microcontrolador es un dispositivo que requiere de un programa para realizar la función a la que se le tenga destinada.

Un programa es una secuencia de instrucciones que le indican paso a paso al microcontrolador las acciones que deberá efectuar, tomando en cuenta los factores y condiciones que se le presenten, en los primeros microcontroladores el programa se hacía escribiendo el código binario de cada instrucción, es decir cada instrucción se reconocía como un conjunto de unos y ceros, posteriormente y hasta la fecha los microcontroladores se han programado con el lenguaje ensamblador del fabricante, este lenguaje consiste de una serie de instrucciones en forma de mnemónicos, con la desventaja que cada fabricante tiene su propio conjunto de instrucciones.

El ensamblador es más fácil de entender que el código binario, sin embargo conlleva un largo proceso de aprendizaje y práctica para lograr que los programas trabajen adecuadamente, por esta razón se han vuelto populares los lenguajes de programación de alto nivel como el mikroBasic, PicBasic, C, Pascal etc.

                               

QUÍMICA

Concepto, objetivo y división de la Química

La Química es la ciencia que trata de la constitución y transformación de la materia. No sólo estudia las sustancias que componen los seres vivos e inanimados, sino que se dedica también al descubrimiento de sustancias inexistentes en la naturaleza. Éstas, por sus propiedades y aplicaciones, son en muchos casos de valor incalculable. 

El primer objetivo de la Química es averiguar cómo pueden identificarse o distinguirse los materiales. Para ello no se interesa únicamente por las propiedades accidentales, como el tamaño y la forma, sino también en las propiedades específicas de la clase de materia que se encuentra en cualquier cuerpo. Así, por ejemplo, una vasija de plata y un electrodo de este metal difieren de tamaño, forma y utilidad, pero químicamente son en esencia idénticos ya que están hechos con el mismo material.

El estudio de las transformaciones de unos cuerpos en otros, conocidos con el nombre de reacciones químicas, es el segundo objeto de la Química.

Generalmente, se distinguen en Química las seis subdiviones siguientes: 1) general, que determina las leyes que rigen la interdependencia de los fenómenos químicos; 2) inorgánica, que trata de los cuerpos cuyo origen es independiente de la vida; 3) orgánica o del carbono, que comprende todas las combinaciones del carbono producidas por los seres vivos o por síntesis; 4) analítica, que estudia los métodos de reconocimiento y determinación de la composición de las sustancias; 5) biológica o Bioquímica, prolongación de la química orgánica, que analiza las reacciones en los tejidos vivos; 6) física, que introduce las medidas físicas en el estudio de las reacciones químicas.

Pueden considerarse como ramas especializadas de la Química, la Termoquímica, la Electroquímica, la Metalurgia, etc.

La existencia de campos que no pueden integrase claramente en la Química o en la Física dificulta la delimitación precisa entre estas dos ciencias.

Reseña histórica

La Química ha sido objeto de estudios desde la más remota antigüedad. Los chinos trabajaron los metales, conocieron la pólvora y elaboraron una cerámica de colores. Los egipcios purificaron los metales nobles y recurrieron a esta ciencia para embalsamar los cadáveres.Griegos y romanos explotaron minas de oro, hierro y cobre. En el siglo v a. de J.C., los filósofos griegos  LEUCIPO y DEMÓCRITO DE ABDERA establecieron las bases de la atomística.

Los árabes, durante la Edad Media, transmitieron a Occidente el legado cultural helénico y los cultivadores de esta ciencia recibieron el nombre de alquimistas. Estos conocían ya la volatilidad del azufre, las amalgamas, el sublimado corrosivo, el vitriolo y el agua regia; en los laboratorios que tenían se operaba mediante destilación, copelación, disolución, cristalización y calentamiento. Uno de los objetivos que pretendieron alcanzar los alquimistas medievales  fue el de encontrar la llamada piedra filosofal, capaz de transformar en oro cualquier otro metal, y se esforzaron también en descubrir el elixir de la vida para intentar prolongar la existencia humana por tiempo indefinido.

Los alquimistas occidentales, poco antes del Renacimiento, habían conseguido aislar el bismuto y obtener conocimientos bastantes completos acerca del antimonio, arsénico, ácido clorhídrico, ácido sulfúrico, espíritu de vino, etc. Entre los sabios más destacados se pueden citar a AVICENA (980-1037), AVERROES (1126-1198), ARNAU DE San ALBERTO MAGNO (¿1200-1280?) y Raimundo LULIO (1235-1315). Los más brillantes químicos del siglo XVI fueron PARACELSO  (1493-1541), Georg AGRICOLA (1494-1555) y el ceramista francés Bernard  PALISSY (¿1510?-1589 ó 1590).

Un nuevo concepto de la Química se desarrolló a partir del siglo XVII. Se desecharon los métodos antiguos y se adoptaron otros que dieron gran impulso a esta ciencia. Jean-Baptiste Van Helmont (1577-1644) descubrió la existencia de gases distintos de los del aire; Robert Boyle (1627-1691) estudió la presión de los gases, aisló el hidrógeno e investigó sobre los ácidos, las soluciones salinas, la acetona y el sulfato de mercurio. Junto a éstos hay que citar a los alemanes Johannes Rudolf GLAUBER (1604-1668), Hennig BRANDT, m. en 1692, Georg Brandt (1694-1782), descubridor de la alúmina, la magnesia y el manganeso y autor de un procedimiento para extraer el azúcar de la remolacha; y al sueco Axel Fredrik, barón de Cronstedt (1722-1765), quien halló el níquel y clasificó los minerales. El español Fausto de Elhúyar (1757-1833) figura también entre los científicos distinguidos de esta época, gracias a haber sabido aislar el wolframio. Por último, los británicos Joseph Black (1728-1799), Henry Cavendish (1731-1810) y Joseph Priestley (1733-1804) hicieron importantes estudios.

Descubrimientos de nuevos elementos

Los notables trabajos del francés Antonie Laurent de Lavoisier (1743-1794) dieron un nuevo rumbo a la Química moderna, en la que brillaron Humphry Davy (1778-1829), John Dalton (1766-1844), Joseph Gay-Lussac (1778-1850), Avogradro (1776-1856) y Jacob Berzelius (1778-1848). En esa época se establecieron las grandes leyes numéricas en la que se apoya la Química.

La clasificación periódica de los elementos fue fruto de los trabajos del ruso Dimitri Mendeleiev (1834-1907). A partir de entonces, y gracias también al análisis espectral, se descubrieron numerosos elementos nuevos: rubidio, cesio, talio, indio, galio, bromo, flúor, gases raros, etc.

A los nombres de Marcelin Berthelot (1827-1907), Francois Raoul (1830-1901), Jacobus Henricus Van't Hoff (1852-1911) y svante Arrhenius (1859-1927) hay que añadir e l de numerosos investigadores que, integrados en equipos, han permitido el rápido progreso de la Química nuclear. Gracias a ella se han descubierto los elementos transuránicos.

¿Qué es la Química analítica?

La Química analítica se describe a menudo como el área de la Química responsable de caracterizar la composición de la materia, tanto del punto de vista cualitativo (qué hay) como cuantitativo (cuánto hay). Esta descripción puede inducir a error. 

Después de todo, casi todos los químicos realizan mediciones cualitativas o cuantitativas de manera habitual. El objeto de la Química analítica no consiste en efectuar un análisis sistemático sobre una muestra habitual (lo que se denomina, con mayor propiedad, análisis químico), sino en mejorar los métodos establecidos, extendiendo los ya existentes a nuevos tipos de muestras y desarrollando métodos nuevos para medir los fenómenos químicos.

Otra distinción entre la Química analítica y el análisis químico es que los químicos analíticos trabajan para mejorar los métodos establecidos.

PERSPECTIVAS DE QUÍMICA #1

En la época en que el acero empezó a producirse masivamente, surge también el desarrollo vertiginoso de la química orgánica, que condujo al hombre a la explotación de uno de los recursos más importantes de nuestro tiempo: el petróleo.

 Los orígenes más remotos de la química los encontramos en la explotación de las salinas y la fabricación de colorantes, perfumes y sustancias medicinales a partir de la extracción de sustancias activas de las plantas.

Posteriormente se tiene la época alquimista, cuyo objetivo más conocido era encontrar la piedra filosofal, sustancia mágica que permitiría transmutar los metales, curar todas las enfermedades y rejuvenecer al individuo. Con esos fines, se hicieron algunas contribuciones importantes al conocimiento, como por ejemplo, el aceite de vitriolo, el cual se obtenía de vitriolo verde - compuestos, que en el lenguaje actual, son ácido sulfúrico y sulfato ferroso, respectivamente.

Pero no se puede hablar de química propiamente dicha sino a partir de los experimentos de Joseph Black y Joseph Priestley, entre 1754-1774, consistentes en la obtención de bióxido de carbono y de oxígeno, respectivamente. (Este último, mediante calentamiento del óxido rojo de mercurio.) Desde entonces , la evolución de la química hasta nuestros días ha sido vertiginosa. En ella se pueden distinguir tres etapas: la química mineral, que se inicia con la fabricación del ácido sulfúrico concentrado y el carbonato sódico; la química orgánica, que tiene como objeto de estudio el carbono, por lo que también se le denomina carboquímica, y cuyo desarrollo histórico se ubica en el siglo XlX; y ya en pleno siglo XX, la petroquímica, que consiste en el estudio sistemático del gas natural y el petróleo.

Como se mencionó antes, de la primera etapa se tiene la obtención del ácido sulfúrico a nivel industrial, que se realiza mediante la quema de azufre y nitrato de potasio en un recipiente suspendido en un gran globo de vidrio parcialmente lleno de agua. Este procedimiento se ha venido modificando hasta llegar a un proceso continuo de fabricación. El carbonato sódico necesario para la fabricación de jabones inicialmente se obtenía de las cenizas de algas marinas y posteriormente fue sujeto a un procedimiento a escala industrial, consistente en convertir la sal común en sulfato sódico mediante el tratamiento con ácido sulfúrico concentrado. Dicho procedimiento, desarrollado por Leblanc, no entró en operación hasta los albores del siglo XlX (1807).

Paralelamente, se desarrolló la industria del vidrio, dando origen a la fabricación de vidrios para lentes, microscopios, etc., de modo que el vidrio pasó de ser un objeto de lujo a un objeto de uso común. La necesidad de nuevas composiciones de vidrios pata funciones diversas obligó a que los silicatos se estudiaran de manera más sistemática.

En 1868 se inició la fabricación industrial de cloro a través del proceso ideado por el inglés Henry Beacon. En este proceso, el cloro se obtiene del ácido corhídrico gaseoso.

La segunda etapa de la carboquímica nació a principios del siglo XlX, con el surgimiento de la industria del gas para alumbrado, cuyos subproductos más importantes fueron colorantes artificiales, fármacos y perfumes, que vinieron a sustituir a los extraídos de la naturaleza.

La combustión incompleta de la hulla produce coque y alquitrán. Este último compuesto tiene una gran diversidad de derivados, que se emplean en aplicaciones igualmente variadas: el ácido fénico, de gran utilidad para desinfectar heridas e instrumental médico; la aspirina , la sacarina, sulfamidas y otras drogas de uso en medicina. La industria de los materiales plásticos y de fibras sintéticas utiliza derivados del alquitrán para producir baquelita, nylon, rayón, etc. El trinitrotolueno (TNT) es otro derivado del alquitrán.

La tercera etapa se mezcla con el final de la segunda, mediante la sustitución progresiva de la carboquímica por la petroquímica, proceso en el cual el petróleo surge como combustible alrededor de 1859, y hay que esperar hasta el siglo XX para que a partir de su destilación  se empiecen a obtener destilados como el propano, del cual a su vez se obtiene la acetona. A partir de 1920, aproximadamente, el petróleo sustituye al carbón como combustible y como materia prima en la industria química orgánica.

Si la destilación fraccionada de la hulla proporcionó al hombre tantos y tan útiles compuestos, los procesos desarrollados en la petroquímica y las soluciones a las demandas humanas obtenidas de ellas son literalmente pasmosas, sobre todo cuando un análisis a las entrañas de estos compuestos nos muestra que estamos frente a moléculas gigantes o macromoléculas, y lo impactante, lo pasmoso y a la vez lo obvio es que justamente con ellas, con las moléculas grandes, es con las que la humanidad ha vivido y se ha desarrollado desde siempre. Los organismos vivientes trabajan con macromoléculas, la natualeza misma se desarrolla mediante macromoléculas, de modo tal que parece que desde siempre nos ha estado diciendo, nos ha estado sugiriendo, que intentemos ese camino.

PRODUCTOS QUIMICOS QUE SE OBTIENEN A PARTIR DE GAS NATURAL Y PETROLEO

¿De dónde provienen los productos químicos industriales? El gas natural y el petróleo son las principales fuentes de obtención. A partir de ellos se obtienen siete productos principales que constituyen el fundamento de la química orgánica industrial. Estos son: etileno, propileno, los butilenos, benceno, tolueno, los xilenos y el metano. Las olefinas: etileno, propileno y los butilenos, se obtienen tanto del gas natural como del petróleo. Los aromáticos, o sea benceno, tolueno y xileno se obtienen a partir del petróleo y en cantidades mucho menores del carbón. El metano proviene del gas natural.

Las olefinas se obtienen del gas natural y del petróleo dependiendo de la disponibilidad de gas natural y de la demanda de gasolina en las diversas naciones. Las naftas ligeras y pesadas son fracciones del petróleo que se pueden someter a procesos de desintegración para obtener olefinas. También pueden emplearse para gasolina.

Otra fuente de productos químicos, aunque de menor importancia, es el carbón. El carbón ha sido muy importante en la historia de la humanidad y gran parte del progreso de la industria química antes de la segunda guerra mundial, se debió a la disponibilidad de carbón. W.H.Perkin, famoso químico inglés, puede ser considerado como fundador de la industria química orgánica. En 1856 sintetizó un colorante malva a partir de intermediarios del alquitrán de hulla. El colorante de Perkin tuvo tal importancia, que su tonalidad dio nombre a un período de la literatura denominada década "malva".

El carbón perdió importancia con la llegada de los productos petroquímicos. Las reservas de carbón son mayores que las del petróleo. Se considera que al agotarse las reservas de este último, el carbón recobrará su importancia, aunque surge la interrogante de si será una alternativa realista.

La tercera fuente de productos orgánicas son un grupo de sustancias naturales y renovables, de las cuales las más importantes son: grasas, aceites y carbohidratos.

En el tercer grupo también hay productos naturales menos conocidos que contribuyen a ramas muy especializadas de la industria química. Algunos ejemplos son los esteroles, alcaloides, fosfátidos, rosina, goma laca y otras "gomas" como la goma arábiga.