El Calor (NIVEL INICIAL)

Cuando el agua de la bañera está muy caliente, abres el grifo del agua fría hasta conseguir que la mezcla esté templada, para poderte meter en ella. Lo que haces es enfriar el agua que estaba demasiado caliente.

Lo que se produce es un intercambio de energía, que fluye del agua caliente al agua fría, y que dura hasta que ambas alcanzan la misma temperatura, en el momento en que se llega al “equilibrio térmico”.

¿QUÉ ES EL CALOR?

El calor es precisamente la energía que se transmite entre dos o más cuerpos que se encuentran a diferentes temperaturas; en nuestro caso, los dos cuerpos son la masa de agua fría y la masa de agua caliente.

La unidad del calor es la caloría (cal), que es la cantidad de calor necesaria para hacer que 1 gramo de agua pase de una temperatura de 14,5 ºC a 15,5 ºC.

Como la caloría es una cantidad de calor muy pequeña, normalmente usamos un múltiplo de ella: la kilocaloría (kcal), que es igual a 1.000 calorías.

¿CÓMO SE TRANSMITE EL CALOR?

El calor se puede transmitir de tres maneras: por conducción, por convección o por radiación.

En los cuerpos sólidos, por conducción: al mover la leña ardiendo de una chimenea con el atizador, notamos cómo su asa se va calentando, aunque solo la punta está en contacto con el fuego. Si acercamos a una cerilla encendida un lápiz o cualquier trozo de madera, al poco tiempo comienza a arder, mientras que el extremo al que no le da la llama apenas se calienta.

No todos los sólidos transmiten igual el calor: los metales lo conducen muy bien, son buenos conductores, mientras que el papel, el plástico o la madera lo conducen poco o nada, son malos conductores o aislantes.

En los líquidos y gases, el calor se transmite por convección: al calentar agua en una tetera, se forma una corriente de agua caliente, que asciende desde la base de la tetera hasta la superficie, y de fría en el sentido contrario. En la atmósfera ocurre lo mismo con las corrientes de aire caliente y frío, originándose los vientos.

El calor también se transmite por radiación: cualquier cuerpo caliente emite rayos “caloríficos” que pueden calentar a los cuerpos más fríos que se hallen a su alrededor (que estén a menor temperatura). Al arder, la leña de una chimenea emite rayos que calientan el aire de la habitación. El Sol, que se encuentra a una altísima temperatura, emite rayos que calientan la Tierra.

EFECTOS DEL CALOR SOBRE LOS CUERPOS

Cuando se le transmite calor a un cuerpo, puede ocurrir que el cuerpo:

• llegue a arder, si la temperatura es muy alta; no todos los cuerpos arden, solo ocurre con ciertos materiales;
• cambie de volumen, se dilate; por ejemplo, en los puentes se dejan unos espacios rellenos de un material deformable (tipo goma), para que en verano cuando se dilatan por efecto del calor, no se lleguen a producir fracturas;
• cambie el estado físico en que se encuentra (sólido, líquido o gaseoso). El paso de sólido a líquido se llama fusión, y el proceso contrario (cuando se pierde calor), de líquido a sólido, solidificación. El paso de líquido a gas se llama vaporización, y el proceso contrario licuación. El paso de sólido a gas se llama sublimación, y el proceso contrario sublimación inversa.

Los cambios de estado más habituales son de sólido a líquido (fusión) y de líquido a gas (vaporización). La temperatura a la que se produce un mismo cambio de estado es diferente para cada sustancia.

A estos valores se les llama: temperatura de fusión, temperatura de vaporización… Por ejemplo, para el agua, la temperatura de fusión es 0 ºC y la de vaporización 100 ºC; mientras que para el alcohol etílico la temperatura de fusión es –114 ºC y la de vaporización 78 ºC.

Calor de vaporización y punto de ebullición (La ecuación de Clausius – Clapeyron)

Para pasar de la fase líquida a la fase de vapor se necesita una absorción de energía por parte de las moléculas líquidas, ya que la energía total de estas es menor que la de las moléculas gaseosas. En el caso contrario, en la condensación, se produce un desprendimiento energético en forma de calor. El calor absorbido por un líquido para pasar a vapor sin variar su temperatura se denomina calor de vaporización. Se suele denominar calor latente de vaporización cuando nos referimos a un mol. El proceso de vaporización en equilibrio para una sustancia X se puede esquematizar como:

Donde (l) y (g) representan el estado líquido y gaseoso respectivamente.
El intercambio calórico que entra en juego se invierte en vencer la fuerza de atracción del líquido y se suele denominar calor latente interno de vaporización molar.
La relación cuantitativa entre la presión de vapor P de un líquido y la temperatura absoluta T está dada por la ecuación de Clausius – Clapeyron:

Donde C es una constante, ln es el logaritmo natural y R es la constante de los gases. Ahora bien si consideramos dos presiones de vapor P1 y P2 del mismo líquido a dos temperaturas T1 y T2 distintas, la ecuación se puede reescribir en la forma:

Cuando la presión de vapor del líquido es igual a la presión externa que ejerce el gas en contacto con el líquido, se observa la formación de burbujas en el seno del líquido y se dice que éste entra en ebullición. Así pues, el punto de ebullición de un líquido se define como

la temperatura a la cuál su presión de vapor es igual a la presión externa.

Si se produce una disminución de la presión externa, el punto de ebullición disminuye, mientras que un aumento de la presión externa provocará un aumento del punto de ebullición.

Teorías Acido – Base

Los conocimientos modernos de los ácidos y las bases parten de 1834, cuando el físico inglés Michael Faraday descubrió que ácidos, bases y sales eran electrólitos por lo que, disueltos en agua se disocian en partículas con carga o iones que pueden conducir la corriente eléctrica. En 1884, el químico sueco Svante Arrhenius (y más tarde el químico alemán Wilhelm Ostwald) definió los ácidos como sustancias químicas que contenían hidrógeno, y que disueltas en agua producían una concentración de iones hidrógeno o protones, mayor que la existente en el agua pura. Del mismo modo, Arrhenius definió una base como una sustancia que disuelta en agua producía un exceso de iones hidroxilo, OH-. La reacción de neutralización sería:

H+ + OH-⇋H2O

La teoría de Arrhenius y Ostwald ha sido objeto de críticas. La primera es que el concepto de ácidos se limita a especies químicas que contienen hidrógeno y el de base a las especies que contienen iones hidroxilo. La segunda crítica es que la teoría sólo se refiere a disoluciones acuosas, cuando en realidad se conocen muchas reacciones ácido-base que tienen lugar en ausencia de agua.

TEORÍA DE BRØNSTED-LOWRY

Una teoría más satisfactoria es la que formularon en 1923 el químico danés Johannes Brønsted y, paralelamente, el químico británico Thomas Lowry. Esta teoría establece que los ácidos son sustancias capaces de ceder protones (iones hidrógeno H+) y las bases sustancias capaces de aceptarlos. Aún se contempla la presencia de hidrógeno en el ácido, pero ya no se necesita un medio acuoso: el amoníaco líquido, que actúa como una base en una disolución acuosa, se comporta como un ácido en ausencia de agua cediendo un protón a una base y dando lugar al anión (ion negativo) amida:

NH3 + base⇋NH2- + base + H+

El concepto de ácido y base de Brønsted y Lowry ayuda a entender por qué un ácido fuerte desplaza a otro débil de sus compuestos (al igual que sucede entre una base fuerte y otra débil). Las reacciones ácido-base se contemplan como una competición por los protones. En forma de ecuación química, la siguiente reacción de Acido (1) con Base (2)

Ácido (1) + Base (2)⇋Ácido (2) + Base (1)

se produce al transferir un protón el Ácido (1) a la Base (2). Al perder el protón, el Ácido (1) se convierte en su base conjugada, Base (1). Al ganar el protón, la Base (2) se convierte en su ácido conjugado, Ácido (2). La ecuación descrita constituye un equilibrio que puede desplazarse a derecha o izquierda. La reacción efectiva tendrá lugar en la dirección en la que se produzca el par ácido-base más débil. Por ejemplo, HCl es un ácido fuerte en agua porque transfiere fácilmente un protón al agua formando un ion hidronio:

HCl + H2O⇋H3O+ + Cl-

En este caso el equilibrio se desplaza hacia la derecha al ser la base conjugada de HCl, Cl-, una base débil, y H3O+, el ácido conjugado de H2O, un ácido débil.
Al contrario, el fluoruro de hidrógeno, HF, es un ácido débil en agua y no transfiere con facilidad un protón al agua:

HF + H2O⇋H3O+ + F-

Este equilibrio tiende a desplazarse a la izquierda pues H2O es una base más débil que F- y HF es un ácido más débil (en agua) que H3O+. La teoría de Brønsted y Lowry también explica que el agua pueda mostrar propiedades anfóteras, esto es, que puede reaccionar tanto con ácidos como con bases. De este modo, el agua actúa como base en presencia de un ácido más fuerte que ella (como HCl) o, lo que es lo mismo, de un ácido con mayor tendencia a disociarse que el agua: HCl + H2O⇋H3O+ + Cl- El agua también actúa como ácido en presencia de una base más fuerte que ella (como el amoníaco): NH3 + H2O⇋NH4+ + OH-

MEDIDA DE LA FUERZA DE ÁCIDOS O BASES

La fuerza de un ácido se puede medir por su grado de disociación al transferir un protón al agua, produciendo el ion hidronio, H3O+. De igual modo, la fuerza de una base vendrá dada por su grado de aceptación de un protón del agua. Puede establecerse una escala apropiada de ácido-base según la cantidad de H3O+ formada en disoluciones acuosas de ácidos, o de la cantidad de OH- en disoluciones acuosas de bases. En el primer caso tendremos una escala pH, y en el segundo una escala pOH. El valor de pH es igual al logaritmo negativo de la concentración de ion hidronio y el de pOH al de la concentración de ion hidroxilo en una disolución acuosa:

pH = -log [H3O+] pOH = -log [OH-]

El agua pura tiene un pH de 7,0; al añadirle ácido, la concentración de ion hidronio, [H3O+] aumenta respecto a la del agua pura, y el pH baja de 7,0 según la fuerza del ácido. El pOH del agua pura también es de 7,0, y, en presencia de una base cae por debajo de 7,0.

El químico estadounidense Gilbert N. Lewis expuso una nueva teoría de los ácidos y bases en la que no se requería la presencia de hidrógeno en el ácido. En ella se establece que los ácidos son receptores de uno o varios pares de electrones y las bases son donantes de uno o varios pares de electrones. Esta teoría también tiene la ventaja de que es válida con disolventes distintos del agua y no se requiere la formación de una sal o de pares ácido-base conjugados. Según esto, el amoníaco se comporta como una base, pues es capaz de ceder un par de electrones al trifluoruro de boro para formar un par ácido-base:

H3N: + BF3⇋H3N-BF3