Unidad VI Cinética Química y Nanotecnología

Conceptos Básicos De:

Cinética química,  velocidad de reacción, mecanismo de reacción, energía de activación, equilibrio químico y complejo activado.

Conceptos Básicos De Cinética Química:

 La Cinética estudia los factores que determinan la velocidad de las reacciones químicas, y la relación existente entre el comportamiento cinético experimental observado y el mecanismo a nivel microscópico. Su contenido, junto con el de la asignatura de Termodinámica Química, es básico para entender la reactividad de los compuestos químicos, y es básico en la definición del perfil profesional del químico.

Velocidad De Reacción:

La cantidad de sustancia que reacciona por unidad de tiempo.

Mecanismo De Reacción 

Es un conjunto de etapas (ó reacciones ) elementales mediante las cuales se postula que transcurre una reacción química. La descripción de un mecanismo supone el uso de varios conceptos como: etapa elemental, molecular dad, intermedios, catalizador, número estequiométrico, etc. Una vez planteado el mecanismo tenemos que ser capaces de llegar, a partir del mismo, a una ecuación cinética susceptible de comprobación experimental.

Energía De Activación

Es la energía necesaria en un sistema antes de poder iniciar un determinado proceso.

Equilibrio Químico

Ocurre cuando, en una reacción reversible, la velocidad de la reacción directa es igual a la velocidad de la reacción inversa. Una vez alcanzado el estado de equilibrio, las concentraciones de reactivos y productos permanecen constantes. Consideremos la ecuación genérica:

Complejo Activado.

Es una teoría que permite las constantes de velocidad en las reacciones químicas que se calculan utilizando la termodinámica estadística.

Factores que afecta el equilibrio químico

Cambio de concentración. Supongamos el siguiente sistema en equilibrio: A + B ó C + D. Si se agrega alguna de las sustancias reaccionantes, por ejemplo A, se favorece la reacción que tiende a consumir el reactivo añadido. Al haber más reactivo A, la velocidad de reacción hacia los productos aumenta, y como en el estado de equilibrio las velocidades de reacción son iguales en ambos sentidos, se producirá un desplazamiento de la reacción hacia los productos. Es decir, se formará una mayor cantidad de C y D, hasta alcanzar un nuevo estado de equilibrio. De igual modo podemos predecir qué efectos tendría un aumento en la concentración de cualquiera de los productos C o D. Al aumentar C, por ejemplo, el equilibrio se desplazaría hacia los reactivos, ya que la velocidad de reacción aumentaría en ese sentido hasta alcanzar un nuevo estado de equilibrio. Al disminuir la concentración de alguno de los reactivos, retirando parte de A o B, también podemos alterar el equilibrio químico. Según el Principio de Le Châtelier, el equilibrio se desplazaría en el sentido de compensar dicha falta, es decir, hacia la formación de reactivos.

 Cambio de la temperatura. Si en un equilibrio químico se aumenta la temperatura, el sistema se opone al cambio desplazándose en el sentido que haya absorción de calor, esto es, favoreciendo la reacción endotérmica. Por el contrario, al disminuir la temperatura se favorece el proceso que genera calor; es decir, la reacción exotérmica.
Cambio de la presión. La variación de la presión en un equilibrio, sólo influye cuando intervienen sustancias en estado gaseoso y se verifica una variación en el número de moles entre reactivos y productos. Un aumento de presión favorecerá la reacción que implique una disminución de volumen. En cambio, si se disminuye la presión, se favorecerá la reacción en la que los productos ocupen un volumen mayor que los reactivos.

Catalizadores. No modifican el sentido del equilibrio, porque influyen por igual en las velocidades de las dos reacciones implicadas en todo equilibrio; tan sólo afectan a la energía de activación tanto a la derecha como a la izquierda, por lo tanto solamente cambian la cantidad de tiempo necesario para alcanzar el equilibrio.

 

Ley de le chatelier

 Principio de Le Châtelier, principio según el cual si se realiza cualquier cambio en las condiciones de un sistema en equilibrio, éste tiende a desplazarse de forma que compensa la variación producida.

En una reacción química, un cambio en la temperatura, la presión o la concentración de los reactivos o los productos en el equilibrio químico provoca el desplazamiento del equilibrio en uno u otro sentido (reacción directa o inversa) según este principio. Así, el aumento de temperatura causa reacciones que absorben energía, pero si la temperatura desciende se producen reacciones que desprenden energía. El aumento de presión favorece reacciones que disminuyen el volumen; sucede lo contrario cuando la presión baja. Al incrementar cualquier concentración se provocan reacciones que gastan el material añadido, y al disminuirla se favorecen reacciones que forman dicho material.

Las reacciones químicas que transcurren en un recipiente cerrado pueden alcanzar un estado de equilibrio que se caracteriza porque las concentraciones de los reactivos y de los productos permanecen inalteradas a lo largo del tiempo. Es decir, bajo determinadas condiciones de presión y temperatura la reacción no progresa más y se dice que ha alcanzado el estado de equilibrio.

Expresión de la constante de equilibrio

La constante de equilibrio (K) se expresa como la relación entre las concentraciones molares (mol/l) de reactivos y productos. Su valor en una reacción química depende de la temperatura, por lo que ésta siempre debe especificarse. La expresión de una reacción genérica es:

En el numerador se escribe el producto de las concentraciones de los productos y en el denominador el de los reactivos. Cada término de la ecuación se eleva a una potencia cuyo valor es el del coeficiente estequiométrico en la ecuación ajustada.

La constante de ionización es la constante de equilibrio de una disociación iónica, definida inmediatamente por la ecuación de la constante de equilibrio en función de las concentraciones molares correspondientes. Por tanto, la constante de ionización es igual al producto de las concentraciones iónicas dividido por a concentración de la sustancia sin disociar. Todas las sustancias se expresan en la forma convencional de moles por litro, pero las unidades de concentración no se ponen normalmente en forma implícita.

Las constantes de ionización varían apreciablemente con la temperatura. A menos que se diga otra cosa se sobrentenderá que lo temperatura es de 25°C. También se sobrentenderá que el disolvente es el agua a menos que se establezca otra cosa.
La constante de ionización de un ácido débil se representa normalmente por Ka. El equilibrio para el ácido acético puede escribirse de la siguiente forma:

HC 2 H 3 O 2 H + C 2 H 3 O 2 Ka= [H] + [C 2 H 3 O 2]
[HC 2 H 3 O 2]

Para los electrolitos débiles, la disociación de sus moléculas en los iones es reversible y llega a un equilibrio entre iones y moléculas no disociadas; lo que se puede representar mediante la siguiente ecuación:
(X) (Y) (X+) (Y-)

Aplicando la ley de masas sobre dicho equilibrio obtenemos:

Keq = (X+) (Y-)/(XY)

De aquí la constante de equilibrio de Keq, la que podemos llamar constante de ionización (Kion).
Keq = Kion

Producto de solubilidad

El producto de solubilidad es una constante que indica en una disolución saturada de un electrólito poco soluble el producto de las concentraciones de los iones, elevada cada una a un exponente igual al coeficiente estequiométrico con el que aparecen en la ecuación de disociación. 

ejemplos:

- El azúcar o la sal se disuelven en agua para dar sabor a las comidas

- El sulfato de calcio es menos soluble en agua caliente que en agua fría,

por lo tanto se usa en recubrimientos para tuberías de calentadores.

- Los alimentos que quedan entre los dientes forman ácidos que

disuelven el esmalte dental que contiene Hidroxiapatita,

Ca10(PO4)6(OH)2, con el fluor de la pasta dental, se forma Ca5(PO4)3F y

Ca2F, los que son menos solubles en los ácidos.

Una posibilidad para fabricar elementos en nanotecnología es utilizar herramientas destinadas inicialmente a la observación microscópica avanzada, como lo son: el Microscopio de Barrido por Efecto Tunel (ingl: Scanning Tunneling Microscope), el Microscopio de Fuerza Atómica (Atomic Force Microscope). Se ha demostrado en la práctica cómo estos instrumentos, o variantes de ellos, adicionalmente a su función como microscopios, pueden utilizarse para mover átomos a voluntad y construir así algunas estructuras diseñadas.

Otra manera de construir nanosistemas es en aprovechar la tendencia natural al autoensamblaje que tienen ciertas moléculas. Un ejemplo de esto es la formación de pequeños esferoides, denominados "Liposomas", que se pueden formar gracias a que ciertas moléculas de lipofosfatos poseen una forma cilíndrica con un extremo hidrófilo y el otro hidrófobo, lo cual hace que al estar en un medio acuoso los extremos replelidos por el medio tienden a enfrentarse, de manera que un grupo de tales moléculas puede terminar por organizarse en esfera con los extremos hidrófilos hacia el exterior, en contacto con el medio acuoso. Autoensamblajes como el descrito se basan en fuerzas de origen eléctrico, en tensión superficial y fenómenos termodinámicos y afines (maximización de la entropía y minimización de la energía potencial). Sin embargo, la biología, en el desarrollo de los organismos utiliza un autoensamblaje diferente basado en la codificación genética presente en el ADN. Existe la esperanza de que los avances en la comprensión y manipulación de procesos genéticos algún día nos permitirán copiarle a la biología sus métodos de autoensamblaje codificado para el desarrollo de nanosistemas complejos.

Por lo tanto, el primer paso que indicará el comienzo de la nanotecnología como una realidad será el desarrollo de lo que se ha dado en llamar El Ensamblador Universal. Este ensamblador tendrá la capacidad para construir cualquier cosa que se defina mediante software, utilizando átomos individuales que se combinarán como piezas de mecanismos más complejos. Un ensamblador universal podría tener la forma de un microondas conectado a un depósito de átomos -por ejemplo de carbón, de oxigeno o sulfuro-. El ensamblador usaría esos átomos para construir cualquier cosa, desde una hamburguesa aun superodenador.

TENDENCIAS DE LA NANOTECNOLOGIA: MATERIALES Y SUS CARACTERISTICAS

La nanotecnología permite trabajar y manipular las estructuras moleculares y sus átomos. Esta posibilidad nos lleva a  fabricar materiales y máquinas a partir del reordenamiento de átomos y moléculas, la nanotecnología provocará una segunda revolución industrial; Son un mercado floreciente y en la actualidad se emplean en multitud de tecnologías y productos de consumo.

CARACTERÍSTICAS:

 

• Colaboración de múltiples ciencias: biología, física, química,informática, ingeniería, medicina…
• Se trata de fabricar productos tangibles
• Elevados costes de equipamiento, acceso necesario a propiedad intelectual, conocimientos muy especializados.  

Efectos perjudiciales que  podrían tener las nanotecnologías

Algunas nano partículas tienen las mismas dimensiones que determinadas moléculas biológicas y pueden interactuar con ellas. Pueden moverse dentro del cuerpo humano y de otros organismos, pasar a la sangre y entrar en órganos como el hígado o el corazón, y podrían también atravesar membranas celulares. Preocupan especialmente las nano partículas insolubles, ya que pueden permanecer en el cuerpo durante largos periodos de tiempo.

Los parámetros que influyen sobre los efectos de las nano partículas para la salud son su tamaño (las partículas de menor tamaño pueden comportar un peligro mayor), la composición química, las características de su superficie y su forma.

Cuando se inhalan, las nano partículas pueden depositarse en los pulmones y desplazarse hasta otros órganos como el cerebro, el hígado y el bazo; es posible que puedan llegar al feto en el caso de mujeres embarazadas. Algunos materiales podrían volverse tóxicos si se inhalan en forma de nano partículas. Además, las nano partículas inhaladas podrían provocar inflamaciones pulmonares y problemas cardíacos.

 Las nano partículas se emplean como vehículo para que los fármacos lleguen en mayor cantidad a las células deseadas, para disminuir los efectos secundarios del fármaco en otros órganos o para ambas cosas. Sin embargo, en ocasiones no es fácil diferenciar la toxicidad del fármaco de la toxicidad de la nano partícula.