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Fuentes de ondas y rayos de luz Un rayo de luz se propaga por un vidrio de índice de incidencia es de 1,52 y llega a la superficie de separación vidrio-agua (índice de refracción del agua = 1,33 ) con un ángulo de incidencia de 30º. ¿Cuál es el ángulo de refracción? ¿Qué es una fuente de onda? Es el punto donde se produce la perturbación , se constituye en el origen o foco de la onda. ¿Qué es un rayo? Es cualquier dirección en la que se propaga un movimiento ondulatorio. Reflexión La reflexión es el fenómeno físico que explica la incidencia de las ondas contra un material y su curso posterior cuando el material sobre el cual incide no absorbe la onda. Ejemplos comunes son la reflexión de la luz, el sonido y las ondas en el agua. Reflexión de la luz El movimiento de las ondas Refracción La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Solo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si estos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina en el cambio de velocidad de propagación de la onda señalada. En este fenómeno se puede distinguir los siguientes elementos: Onda Incidente, es aquel que llega a la superficie de separación de dos medios. Onda Refractado, el rayo que pasa al otro medio. Ángulo de Incidencia (i), el ángulo que se forma entre el incidente y la normal. Ángulo de Refracción (r), el ángulo formado por la normal y el rayo refractado. La refracción explica los fenómenos tales como: El espejismo común , cuando se viaja por una carretera,se ve a distancia ,como si se encuentra mojada ,cuando en realidad no lo esta. La miopía: Es una problema de la visión que consiste en la dificultad de ver los objetos cuando están ubicados en lugares lejanos ,pero verlos bien cuando están cerca. Ley de refracción Un rayo cambia de dirección, es decir se refracta, cuando pasa de un medio a otro en el que su velocidad es diferente .En la refracción se cumplen las siguientes leyes: El rayo incidente, el rayo refractado y la normal se encuentran en un mismo plano. El ángulo que forma el rayo refractado con la normal,llamado ángulo de refracción,se relaciona con el ángulo de incidencia. Un rayo de luz incide desde el aire (n = 1) sobre una lámina plana de vidrio con un ángulo de 57º. Parte de la energía se refleja y parte se transmite al vidrio. El rayo reflejado y el rayo

refractado forman entre si un ángulo de 90º. ¿Cuál es el índice de refracción de la lámina de vidrio? INTERFERENCIA La interferencia es el proceso por el cual se produce una alteración modificación o destrucción de las ondas o señales. Puede ser: a. Interferencia constructiva. Cuando dos ondas provenientes de dos o más fuentes, llegan a un punto en fase, la amplitud de onda resultante es la suma de las amplitudes de las ondas individuales, y se observa que estas se refuerzan mutuamente. El principio de la interferencia constructiva se aplica en el diseño del estetoscopio, aparato utilizado por los médicos, para explorar el sonido interno del organismo producido por órganos como el corazón, los pulmones y los intestinos. El aparato consiste en una campana, una membrana y un tubo largo, por el que viajan ondas de baja o alta frecuencia, según se necesite. Cuando se escucha una orquesta o un grupo música, las ondas emitidas por todos los instrumentos se escuchan como un solo sonido. Esto se debe a que se produce interferencia constructiva entre dichas ondas. Interferencia destructiva. Cuando la cresta de una onda se superpone al valle de otra, los efectos individuales se reducen. La cresta de una onda llega al mismo tiempo que un valle de la onda, la amplitud resultante es la diferencia entre las amplitudes individuales. Si las amplitudes son iguales, entonces la amplitud total es cero. Esto ocurre porque las ondas están fuera de fase (desfasadas). Una aplicación de este fenómeno se encuentra en el uso de auriculares en la cabina de un avión. Principio de Huygens El principio de Huygens es un método de análisis aplicado a los problemas de propagación de ondas. Puede enunciarse así: Todo punto de un frente de onda inicial puede considerarse como una fuente de ondas esféricas secundarias que se extienden en todas las direcciones con la misma velocidad, frecuencia y longitud de onda de la que proceden. El principio de Hugens establecido por el cientifico holandes Christiaan Huyeges en 1678. La luz es una manifestación de energía. Gracias a ella las imágenes pueden ser reflejadas en un espejo, en la superficie del agua o un piso muy brillante. Esto se debe a un fenómeno llamado reflexión de la luz. La reflexión ocurre cuando los rayos de luz que inciden en una superficie chocan en ella, se desvían y regresan al medio que salieron formando un ángulo igual al de la luz incidente, muy distinta a la refracción.

Huygens planteó que cuando la energía del movimiento ondulatorio alcanza (al mismo tiempo) los puntos de un frente de ondas, cada uno de estos puntos se pone a vibrar generando ondas secundarias. La infinidad de estas ondas

secundarias no se percibe y sí se observa en cambio su envolvente.

Cuando ha transcurrido un tiempo igual al periodo los movimientos ondulatorios generados en los focos secundarios se han transmitido en el sentido de propagación de la onda hasta una distancia igual a una longitud de onda. En ese instante, la línea tangente a los frentes de onda secundarios representa al siguiente frente de ondas

RAYOS Y FRENTES DE ONDA En este tema se busca entender los conceptos fundamentales y relacionales acerca de los frentes de onda y los rayos. En ellos siempre se busca analizar e ilsutrar los efectos de la propagación de ondas electromagneticas a traves del espacio vacío. En el caso del rayo se tiene que es una linea trazada a lo largo de la direccion de propagación de una onda electromagnética. Los rayos se usan para mostrar la direccion relativa de la propagacion de la onda electromagnética; sin embargo, no necesariamente representan la propagación de una sola onda electromagnética.(1) En este caso un frente de onda representa una superficie de ondas electromagnéticas de fase constante, las cuales se forman cuando se unen puntos de igual fase en rayos que se propagan en la misma fuente. En la siguiente figura 1 se aprecia un frente de onda con una superficie que es perpendicular a la dirección de propagación que es el rectangulo ABCD. Cuando la superficie es plana, su frente de onda es perpendicular a la dirección de propagación. Cuanto mas cerca está de su fuente, el frente de onda se vuelve mas complicado

Fig. 1. Onda Plana La forma geométrica del frente de onda depende de la forma de la fuente de ondas y del medio en el cual se propaga. Si el foco es puntual y el medio es isótropo (posee propiedades idénticas en todas las direcciones) , los sucesivos frentes de onda son esferas concéntricas, cuyo centro común es la fuente; si el medio es bidimensional, resulta circunferencias concéntricas. Si el foco emisor

posee forma lineal se obtiene una onda cilíndrica, que se propaga a lo largo de los radios a partir del eje del cilindro. (2) Frente de onda Se denomina frente de onda al lugar geométrico en que los puntos del medio son alcanzados en un mismo instante por una determinada onda. Dada una onda propagándose en el espacio o sobre una superficie, los frentes de onda pueden visualizarse como superficies que se expanden a lo largo del tiempo alejándose de la fuente que genera las ondas sin tocarse entre sí. Forma del frente de onda[editar] Para ondas tridimensionales el frente de onda suele ser plano o esférico (sólo si existe algún tipo de anisotropía o heterogeneidad encontramos otras superficies más complicadas). Para ondas bidimensionales, como las de la superficie del agua, el frente suele ser plano o circular (en caso de anisotropía o inhomogeneidad pueden aparecer otras formas). El frente de onda está formado por puntos que comparten la misma fase, por tanto en un instante dado t un frente de onda está formado por el lugar geométrico (superficie o línea) de todos los puntos cuyas coordenadas satisfacen la relación: Donde: , es la longitud de onda. , llamado vector unitario que coincide en cada punto del espacio con la dirección de propagación de la onda. , es la frecuencia de la onda. es un valor real, tomando diferentes valores de este parámetro se obtienen diferentes frentes de onda en el mismo instante dado. Ejemplos de ondas: Olas, que son perturbaciones que se propagan por el agua. Ondas de radio, microondas, ondas infrarrojas, luz visible, luz ultravioleta, rayos X, y rayos gamma conforman la radiación electromagnética. En este caso, la propagación es posible sin un medio, a través del vacío. Estas ondas electromagnéticas viajan a 299,792,458 m/s en el vacío. Sonoras — una onda mecánica que se propaga por el aire, los líquidos o los sólidos. Ondas de tráfico (esto es, la propagación de diferentes densidades de vehículos, etc.) — estas pueden modelarse como ondas cinemáticas como hizo Sir M. J. Lighthill

Ondas sísmicas en terremotos. Ondas gravitacionales, que son fluctuaciones en la curvatura del espacio-tiempo predichas por la relatividad general. Estas ondas aún no han sido observadas empíricamente.

Las ondas se clasifican atendiendo a diferentes aspectos: En función del medio en el que se propagan * Ondas mecánicas: las ondas mecánicas necesitan un medio elástico (sólido, líquido o gaseoso) para propagarse. Las partículas del medio oscilan alrededor de un punto fijo, por lo que no existe transporte neto de materia a través del medio. Como en el caso de una alfombra o un látigo cuyo extremo se sacude, la alfombra no se desplaza, sin embargo una onda se propaga a través de ella. La velocidad puede ser afectada por algunas características del medio como: la homogenalidad, la elasticidad, la densidad y la temperatura. Dentro de las ondas mecánicas tenemos las ondas elásticas, las ondas sonoras y las ondas de gravedad. * Ondas electromagnéticas: las ondas electromagnéticas se propagan por el espacio sin necesidad de un medio, pudiendo por lo tanto propagarse en el vacío. Esto es debido a que las ondas electromagnéticas son producidas por las oscilaciones de un campo eléctrico, en relación con un campo magnético asociado. Las ondas electromagnéticas viajan aproximadamente a una velocidad de 300000 Km por segundo, de acuerdo a la velocidad puede ser agrupado en rango de frecuencia. Este ordenamiento es conocido como Espectro Electromagnético, objeto que mide la frecuencia de las ondas. * Ondas gravitacionales: las ondas gravitacionales son perturbaciones que alteran la geometría misma del espacio-tiempo y aunque es común representarlas viajando en el vacío, técnicamente no podemos afirmar que se desplacen por ningún espacio, sino que en sí mismas son alteraciones del espacio-tiempo. En función de su propagación o frente de onda Ondas unidimensionales: las ondas unidimensionales son aquellas que se propagan a lo largo de una sola dirección del espacio, como las ondas en los muelles o en las cuerdas. Si la onda se propaga en una dirección única, sus frentes de onda son planos y paralelos. Ondas bidimensionales o superficiales: son ondas que se propagan en dos direcciones. Pueden propagarse, en cualquiera de las direcciones de una superficie, por ello, se denominan también ondas superficiales. Un ejemplo son las ondas que se producen en una superficie líquida en reposo cuando, por ejemplo, se deja caer una piedra en ella. Ondas tridimensionales o esféricas: son ondas que se propagan en tres direcciones. Las ondas tridimensionales se conocen también como ondas

esféricas, porque sus frentes de ondas son esferas concéntricas que salen de la fuente de perturbación expandiéndose en todas direcciones. El sonido es una onda tridimensional. Son ondas tridimensionales las ondas sonoras (mecánicas) y las ondas electromagnéticas.

La luz es una forma de energía, gracias a ella se pueden ver los objetos, sus detalles y colores. La luz se produce en fuentes naturales y artificiales. Las fuentes de luz es todo aquello que emite una luz visible. Las fuentes naturales son el sol, las estrellas, las auroras polares, que son bellas luminosidades de formas muy variadas que se pueden apreciar a enormes alturas en las regiones cercanas al polo norte y al polo sur de la Tierra. También están los rayos, producto de cargas eléctricas y existen unos insectos llamados luciérnagas, que emiten luz o resplandecen en la oscuridad. Las fuentes artificiales son las velas, antorchas, lámparas de kerosén de o gasolina, linternas, y bombillos. Estos últimos utilizan la energía eléctrica. Algunos cuerpos al aumentar la temperatura proporcionan calor y luz. Propiedades características de la luz Se propaga en línea recta. Reflexión de la luz Refracción de la luz Propagación de la luz La luz está formada por pequeñas partículas llamadas fotones que viajan a gran velocidad, se propagan en ondas lumínicas, que viajan en línea recta, llamada haz de luz. Para comprobar esto un experimento con la caja de luz. Una fuente de luz puede ser difusa o puntual. La luz difusa incide sobre los objetos desde múltiples ángulos, proporcionando una iluminación más homogénea y haciendo que las sombras sean menos nítidas cuanto más lejos esté un objeto de la superficie que oscurece. La luz puntual se origin.

Biomolécula Las biomoléculas son las moléculas constituyentes de los seres vivos. Los seis elementos químicos o bioelementos más abundantes en los seres vivos son el carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre (C, H, O, N, P, S) , los cuales constituyen las biomoléculas (glúcidos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos).1 Estos seis elementos son los principales componentes de las biomoléculas debido a que: 1. Permiten la formación de enlaces covalentes entre ellos, compartiendo electrones, debido a su pequeña diferencia de electronegatividad. Estos enlaces son muy estables, la fuerza de enlace es directamente proporcional a las masas de los átomos unidos. 2. Permiten a los átomos de carbono la posibilidad de formar esqueletos tridimensionales –C-C-C- para formar compuestos con número variable de carbonos. 3. Permiten la formación de enlaces múltiples (dobles y triples) entre C y C; C y O; C y N. Así como estructuras lineales, ramificadas, cíclicas, heterocíclicas, etc. 4. Permiten la posibilidad de que con pocos elementos se den una enorme variedad de grupos funcionales (alcoholes, aldehídos, cetonas, ácidos, aminas, etc.) con propiedades químicas y físicas diferentes. Clasificación de las biomoléculas Según la naturaleza química, las biomoléculas son: Biomoléculas inorgánicas Son moléculas que poseen tanto los seres vivos como los cuerpos inertes, aunque son imprescindibles para la vida, como el agua, la molécula inorgánica más abundante, los gases(oxígeno, etc.) y las sales inorgánicas: aniones como fosfato (HPO4−), bicarbonato (HCO3−) y cationes como el amonio (NH4+). Biomoléculas orgánicas o principios inmediatos Son sintetizadas principalmente por los seres vivos y tienen una estructura con base en carbono. Están constituidas, principalmente, por los elementos químicos carbono, hidrógeno y oxígeno, y con frecuencia también están presentes nitrógeno, fósforo y azufre; a veces se incorporan otros elementos pero en mucha menor proporción. Las biomoléculas orgánicas pueden agruparse en cinco grandes tipos: Glúcidos o carbohidratos Los glúcidos (impropiamente llamados hidratos de carbono o carbohidratos) son la fuente de energía primaria que utilizan los seres vivos para realizar sus funciones

vitales; la glucosaestá al principio de una de las rutas metabólicas productoras de energía más antigua, la glucólisis, usada en todos los niveles evolutivos, desde las bacterias a los vertebrados. Muchos organismos, especialmente los vegetales (algas, plantas) almacenan sus reservas en forma de almidón en estructuras denominadas amiloplastos, en cambio los animales forman el glucógeno, entre ellos se diferencia por la cantidad y el número de ramificaciones de la glucosa. Algunos glúcidos forman importantes estructuras esqueléticas, como la celulosa, constituyente de la pared celular vegetal, o la quitina, que forma la cutícula de los artrópodos. Lípidos Los lípidos saponificables cumplen dos funciones primordiales para las células; por una parte, los fosfolípidos forman el esqueleto de las membranas celulares (bicapa lipídica); por otra, los triglicéridos son el principal almacén de energía de los animales. Los lípidos insaponificables, como los isoprenoides y los esteroides, desempeñan funciones reguladoras (colesterol, hormonas sexuales, prostaglandinas). Proteínas Las proteínas son las biomoléculas que más diversidad de funciones realizan en los seres vivos; prácticamente todos los procesos biológicos dependen de su presencia y/o actividad. Son proteínas casi todas las enzimas, catalizadores de reacciones metabólicas de las células; muchas hormonas, reguladores de actividades celulares; la hemoglobina y otras moléculas con funciones de transporte en la sangre; anticuerpos, encargados de acciones de defensa natural contra infecciones o agentes extraños; los receptores de las células, a los cuales se fijan moléculas capaces de desencadenar una respuesta determinada; la actina y la miosina, responsables finales del acortamiento del músculo durante el estado de la contracción; el colágeno, integrante de fibras altamente resistentes en tejidos de sostén de la planta y el tallo. Ácidos nucleicos Los ácidos nucleicos, ADN y ARN, desempeñan, tal vez, la función más importante para la vida: contener, de manera codificada, las instrucciones necesarias para el desarrollo y funcionamiento de la célula. El ADN tiene la capacidad de replicarse, transmitiendo así dichas instrucciones a las células hijas que heredarán la información. Algunas, como ciertos metabolitos (ácido pirúvico, ácido láctico, ácido cítrico, etcétera.) no encajan en ninguna de las anteriores categorías citadas. Vitaminas Las vitaminas son precursoras de coenzimas, (aunque no son propiamente enzimas) grupos prostéticos de las enzimas. Esto significa, que la molécula de la vitamina, con un pequeño cambio en su estructura, pasa a ser la molécula activa, sea esta coenzima o no.

Los requisitos mínimos diarios de las vitaminas no son muy altos, se necesitan tan solo dosis de miligramos o microgramos contenidas en grandes cantidades (proporcionalmente hablando) de alimentos naturales. Tanto la deficiencia como el exceso de los niveles vitamínicos corporales pueden producir enfermedades que van desde leves a graves e incluso muy graves como la pelagra o la demencia entre otras, e incluso la muerte. Algunas pueden servir como ayuda a las enzimas que actúan como cofactor, como es el caso de las vitaminas hidrosolubles.

Metabolitos secundarios Las biomoléculas que son constituyentes fundamentales en procesos vitales de los seres vivos (mencionados anteriormente) son denominados metabolitos primarios. Estos metabolitos tienen distribución taxonómica amplia. Se puede considerar que los metabolitos primarios por excelencia son la glucosa, la ribosa, la fructosa, el ácido pirúvico, el gliceraldehído, el ácido acético (Esterificado como acetil coenzima A), el ácido oxaloacético, el ácido málico, el ácido 2oxoglutárico, el ácido palmítico, el ácido esteárico, el ácido oleico, el porfibilinógeno, el pirofosfato de isopentenilo, los 20 aminoácidos proteínicos, las bases púricas, las bases pirimidínicas y las Vitaminas del grupo B. Existen compuestos orgánicos provenientes de los metabolitos primarios, que cumplen funciones complementarias a las vitales, tales como comunicación intra e interespecífica, defensa contra radiación, congelación, ataque de patógenos o parásitos. A estos compuestos se les denomina metabolitos secundarios.2 Se les considera biomoléculas a todos los compuestos químicos que al estar en conjunto conforman la materia viva, es decir, las bases químicas que permiten subsistir al ser vivo, existen infinidades de biomoléculas pero entre las más necesarias o las que se encuentran en abundancia son en primer lugar el nitrógeno, oxigeno, hidrógeno y carbono, en segundo lugar se puede mencionar sulfuro y fósforo. Las biomoléculas reciben una clasificación general, esta va a depender de la presencia de carbono en su estructura, de esta manera se les designa el nombre de biomoléculas inorgánicas a las que en su estructura hay ausencia de moléculas de carbono, este no pueden ser sintetizados por el ser humano pero aun así son esenciales para el mantenimiento de la vida, en este grupo se puede tomar como ejemplo el agua; el grupo opuesto, es decir, poseen moléculas de carbono los cuales son parte de su estructura se les designa biomoléculas orgánicas y también difieren con el grupo inorgánico en la característica de que estos si pueden ser sintetizados por el cuerpo humano. Las biomoléculas orgánicas se subdividen en macronutrientes de suma importancia para el buen funcionamiento orgánico, los cuales son:



Carbohidratos: como si nombre indica, es un macronutriente compuesto por carbono, oxigeno e hidrógeno, en este grupo entran los glúcidos o los azucares también se encuentran dentro de este grupo las fibras y almidones; estos son la principal forma de almacenamiento y consumo de energíadel organismo, primordial para el sistema nervioso, musculo y eritrocitos; son solubles en agua.



Lípidos: al igual que los carbohidratos también están compuestos por carbono e hidrógeno y algunas veces en menor proporción se encuentra oxigeno, fósforo, azufre y nitrógeno, este constituye el almacenamiento secundario de energía para el organismo cuando las reservas de carbohidratos se han terminado, de igual forma trabajan en la protección mecánica de estructuras y como aislamiento térmico, son hidrofóbicos (insolubles en agua).



Proteínas; se encuentran constituidos por hidrógeno, carbono, oxigeno y nitrógeno formando la unidad monomérica llamada aminoácido, conjuntos de aminoácidos forman las proteínas; tienen miles de funciones las más importantes son servir de bases para la formación de hormonas, jugos digestivos, proteínas plasmáticas, hemoglobina, etc.; estos no pueden ser sustituidos por los lípidos o por los carbohidratos.

Ácido nucleico Los ácidos nucleicos son grandes polímeros formados por la repetición de monómeros denominados nucleótidos, unidos mediante enlaces fosfodiéster. Se forman largas cadenas; algunas moléculas de ácidos nucleicos llegan a alcanzar tamaños gigantescos, de millones de nucleótidos encadenados. Existen dos tipos básicos, el ADN y el ARN. El descubrimiento de los ácidos nucleicos se debe a Johann Friedrich Miescher, que en el año 1869 aisló los núcleos de las células una sustancia ácida a la que llamó nucleína,1 nombre que posteriormente se cambió a ácido nucleico. Posteriormente, en 1953, James Watson y Francis Crick descubrieron la estructura del ADN, empleando la técnica de difracción de rayos X. Importancia de los ácidos nucleicos Todos los organismos poseen estas biomoléculas que dirigen y controlan la síntesis de sus proteínas, proporcionando la información que determina su especificidad y características biológicas, ya que contienen las instrucciones necesarias para realizar los procesos vitales y son las responsables de todas las funciones básicas en el organismo.2

Tipos de ácidos nucleicos Existen dos tipos de ácidos nucleicos : ADN (ácido desoxirribonucleico) y ARN (ácido ribonucleico), que se diferencian: 

por el glúcido (la pentosa es diferente en cada uno; ribosa en el ARN y desoxirribosa en el ADN);



por las bases nitrogenadas: adenina, guanina, citosina y timina, en el ADN; adenina, guanina, citosina y uracilo, en el ARN.



por las Hélices: Mientras que el ADN tiene doble hélice, el ARN tiene solo una cadena.

Bases nitrogenadas Las Bases Nitrogenadas son las que contienen la información genética, éstas presenta una estructura cíclica que contiene carbono, nitrógeno, hidrógeno y oxígeno.3 Se dividen en dos tipos: 

Purinas, que son derivadas de la purina (dos anillos).



Pirimidinas, derivadas del anillo de la pirimidina (un anillo).

La presencia de los átomos de nitrógeno le da un carácter básico a estos compuestos. Son aromáticas y por lo tanto son planas, también son insolubles en agua y pueden establecer interacciones hidrofóbicas entre ellas; estas interacciones sirven para estabilizar la estructura tridimensional de los ácidos nucleicos.4 La existencia de distintos radicales hace que puedan aparecer varias bases nitrogenadas, las cuales son: 

Adenina, presente en ADN y ARN



Guanina, presente en ADN y ARN



Citosina, presente en ADN y ARN



Timina, presente exclusivamente en el ADN



Uracilo, presente exclusivamente en el ARN

Equilibrio químico En un proceso químico, el equilibrio químico es el estado en el que las actividades químicas o las concentraciones de los reactivos y los productos no tienen ningún cambio neto en el tiempo. Normalmente, este sería el estado que se produce cuando una reacción reversible evoluciona hacia adelante en la misma proporción que su reacción inversa. La velocidad de reacción de las reacciones directa e inversa por lo general no son cero, pero, si ambas son iguales, no hay cambios netos en cualquiera de las concentraciones de los reactivos o productos. Este proceso se denomina equilibrio dinámico.12 En una reacción química, cuando los reactivos se mezclan en un recipiente de reacción (con calefacción, si es necesario), no se convierten en productos la totalidad de los reactivos. Después de un tiempo (que depende de los compuestos que constituyen la mezcla), las reacciones opuestas, pueden alcanzar iguales velocidades de reacción, creando un equilibrio dinámico en el que la relación entre los reactivos y productos será fija. El concepto de equilibrio químico fue desarrollado después de que Berthollet (1803) encontrase que algunas reacciones químicas son reversibles. Para que una reacción, tal como

pueda estar en equilibrio, las velocidades de reacción directa e inversa tienen que ser iguales. En esta ecuación química, con flechas apuntando en ambas direcciones para indicar el equilibrio, A y B son las especies químicas que reaccionan S y T son las especies productos, y α, β, σ y τ son los coeficientes estequiométricos de los reactivos y los productos. La posición de equilibrio de la reacción se dice que está muy desplazada a la derecha, si, en el equilibrio, casi todos los reactivos se ha utilizado y a la izquierda si solamente se forma algo de producto a partir de los reactivos. Guldberg y Waage (1864), basándose en las ideas de Berthollet, propusieron la ley de acción de masas:

donde A, B, S y T son masas activas y k+ y k− son las constantes de velocidad. Cuando las velocidades de la reacción directa e inversa son iguales: y la relación entre las constantes de velocidad es también una constante, conocida ahora como constante de equilibrio. Por convenio, los productos constituyen el numerador. Sin embargo, la ley de acción de masas es válida sólo para reacciones que transcurren en una etapa que proceden a través de un estado de transición único y no es válido, en general, porque las ecuaciones de velocidad siguen, por lo general, la estequiometría de la reacción como Guldberg y Waage propusieron (véase, por ejemplo, la sustitución nucleofílica alifática por SN1 o la reacción del hidrógeno y del bromo para formar bromuro de hidrógeno). La igualdad de las velocidades de la reacción directa y de la inversa, es una condición necesaria para el equilibrio químico, aunque no es suficiente para explicar por qué se produce el equilibrio. A pesar del fracaso de esta derivación, la constante de equilibrio para una reacción es de hecho una constante, independiente de las actividades de las distintas especies involucradas, aunque depende de la temperatura, como se aprecia por la ecuación de van't Hoff. La adición de un catalizador afecta de la misma forma tanto a la reacción directa como a la reacción inversa y no tendrá un efecto sobre la constante de equilibrio. El catalizador acelera la velocidad de ambas reacciones con lo que aumenta la velocidad a la que se alcanza el equilibrio.34

Aunque las concentraciones de equilibrio macroscópico son constantes en el tiempo las reacciones se producen en el nivel molecular. Por ejemplo, en el caso de ácido acético disuelto en el agua y la formación de acetato e iones hidronio, un protón puede saltar de una molécula de ácido acético a una molécula de agua y luego a un ion acetato para formar otra molécula de ácido acético, dejando el número de moléculas de ácido acético sin cambios. Este es un ejemplo de equilibrio dinámico. Los equilibrios, como el resto de la termodinámica, son fenómenos estadísticos, los promedios del comportamiento microscópico. El Principio de Le Châtelier (1884) es un útil principio que da una idea cualitativa de la respuesta de un sistema de equilibrio ante cambios en las condiciones de reacción. Si un equilibrio dinámico es perturbado por cambiar las condiciones, la posición de equilibrio se traslada para contrarrestar el cambio. Por ejemplo, al añadir más S desde el exterior, se producirá un exceso de productos, y el sistema tratará de contrarrestar este cambio aumentando la reacción inversa y empujando el punto de equilibrio hacia atrás (aunque la constante de equilibrio continuará siendo la misma). Si se agrega un ácido mineral a la mezcla de ácido acético, el aumento de la concentración del ion hidronio, la disociación debe disminuir a medida que la reacción se desplaza hacia a la izquierda, de conformidad con este principio. Esto también se puede deducir de la expresión de la constante de equilibrio para la reacción: si {H3O+} aumenta {CH3CO2H} debe aumentar y {CH3CO2−} debe disminuir. El H2O se queda fuera ya que es un líquido puro y su concentración no está definida. Una versión cuantitativa viene dada por el cociente de reacción. J.W. Gibbs sugirió en 1873 que el equilibrio se alcanza cuando la energía de Gibbs del sistema está en su valor mínimo (suponiendo que la reacción se lleva a cabo a presión constante). Lo que esto significa es que la derivada de la energía de Gibbs con respecto a la coordenada de reacción (una medida de la extensión en que se ha producido la reacción, que van desde cero para todos los reactivos a un máximo para todos los productos) se desvanece, señalando un punto estacionario. Esta derivada se suele llamar, por ciertas razones técnicas, el cambio de energía de Gibbs.5 Este criterio es a la vez necesario y suficiente. Si una mezcla no está en equilibrio, la liberación de la energía de Gibbs en exceso (o la energía de Helmholtz en las reacciones a volumen constante) es el "motor" que cambia la composición de la mezcla hasta que se alcanza el equilibrio. La constante de equilibrio se puede relacionar con el cambio de la energía libre de Gibbs estándar de la energía para la reacción por medio de la ecuación: donde R es la constante universal de los gases y T la temperatura. Cuando los reactivos están disueltos en un medio de alta fuerza iónica el cociente de los coeficientes de actividad se puede tomar como una constante. En este caso, el cociente de concentraciones es, Kc,

donde [A] es la concentración de A, etc, es independiente de la concentración analítica de los reactivos. Por esta razón, las constantes de equilibrio para las soluciones suelen determinarse en medios de fuerza iónica de alta. K_{C} varía con la fuerza iónica, temperatura y presión (o volumen). Asimismo K_{p} para los gases depende de la presión parcial. Estas constantes son más fáciles de medir y se encuentran en cursos de química superior.

Termodinámica La relación entre la energía de Gibbs y la constante de equilibrio se puede hallar considerando potenciales químicos.6 A temperatura y presión constantes, la energía función G, energía libre de Gibbs de la reacción, sólo depende de la extensión de la reacción: ξ y sólo puede disminuir de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica. Esto significa que la derivada de G con ξ debe ser negativo si ocurre la reacción, en el equilibrio de la derivada es igual a cero.

Ley del equilibrio químico El equilibrio químico es un equilibrio dinámico, en el que las velocidades de la reacción directa e inversa son iguales. Consideremos la reacción reversible:

en ella, la ecuación de velocidad de la reacción directa es:

y la ecuación de velocidad de la reacción inversa es:

donde k1 y k2 son las constantes de velocidad de las reacciones directa e inversa, respectivamente. Como en el equilibrio ambas velocidades son iguales, tendremos que:

que se puede escribir en la forma:

ya que la razón de dos constantes, k1 y k2, es, asimismo, una constante, Kc. Si en un sistema cerrado, en el que se ha alcanzado el equilibrio:

se adiciona un pequeño volumen de moléculas de C0 2 marcadas con 14C, al cabo de algún tiempo se observa la existencia de CaC03 marcado con el 14C, lo que demuestra el carácter dinámico del equilibrio químico. Esta Kc es la llamada constante de equilibrio, que, al igual que las constantes de velocidad, para una reacción determinada, depende únicamente de la temperatura. Cuando la ley de velocidad no coincide con los coeficientes estequiométricos, el resultado es el mismo; por ejemplo, en la reacción:

se establecen los siguientes equilibrios:

Las tres constantes de equilibrio son:

Como la suma de las tres reacciones es la reacción global, tenemos que:

Concentraciones en equilibrio en la reacción

Variación de la constante de equilibrio, Kc, con la forma en que se escribe la ecuación de la reacción.

Consideremos ahora el equilibrio:

Realizamos la experiencia descrita al margen y obtenemos los siguientes valores:

¿QUÉ ES UN EQUILIBRIO QUÍMICO? Es una reacción que nunca llega a completarse, pues se produce simultáneamente en ambos sentidos (los reactivos forman productos, y a su vez, éstos forman de nuevo reactivos). Es decir, se trata de un equilibrio dinámico. Cuando las concentraciones de cada una de las sustancias que intervienen (reactivos o productos) se estabiliza, es decir, se gastan a la misma velocidad que se forman, se llega al EQUILIBRIO QUÍMICO.

LEY DE ACCIÓN DE MASAS. CONSTANTE DE EQUILIBRIO (KC) Para una reacción cualquiera (a A + b B + .... Á c C + d D + ...) se define la constante de equilibrio (KC) de la siguiente manera:

siendo las concentraciones medidas en el equilibrio (no confundir con las concentraciones iniciales de reactivos y productos). Se denomina constante de equilibrio, porque se observa que dicho valor es constante (dentro un mismo equilibrio) si se parte de cualquier concentración inicial de reactivo o producto. En la reacción anterior: H2(g)+ I2(g) Á 2 HI (g)

El valor de KC, dada su expresión, depende de cómo se ajuste la reacción. Es decir, si la reacción anterior la hubiéramos ajustado como: ½ H2(g) + ½ I2(g) Á HI (g), la constante valdría la raíz cuadrada de la anterior. La constante KC cambia con la temperatura. ¡ATENCIÓN!: Sólo se incluyen las especies gaseosas y/o en disolución. Las especies en estado sólido o líquido tienen concentración constante, y por tanto, se integran en la constante de equilibrio.

pH El pH es una medida de acidez o alcalinidad de una disolución. El pH indica la concentración de iones hidrógeno [H]+presentes en determinadas disoluciones.2 La

sigla

significa: potencial

hidrógeno o potencial

de hidrónes (pondus hydrogenii o potentia hydrogenii; del latín pondus, n. = peso; potentia, f. = potencia; hydrogenium,n. =hidrógeno). Este término fue acuñado por el bioquímicodanés S. P. L. Sørensen (1868-1939), quien lo definió en 1909 como el opuesto del logaritmo en base 10 o el logaritmo negativo, de la actividad de los iones hidrógeno. Esto es: Esta expresión es útil para disoluciones que no tienen comportamientos ideales, disoluciones no diluidas. En vez de utilizar la concentración de iones hidrógeno, se emplea la actividad (a), que representa la concentración efectiva. El término "pH" se ha utilizado universalmente por lo práctico que resulta para evitar el manejo de cifras largas y complejas. En disoluciones diluidas, en lugar de utilizar la actividad del ion hidrógeno, se le puede aproximar empleando la concentración molar del ion hidrógeno. Por ejemplo, una concentración de [H3O+] = 1×10−7 M, lo que equivale a: 0.0000001 M y que finalmente es un pH de 7, ya que pH = –log[10−7] = 7. En disolución acuosa, la escala de pH varía, típicamente, de 0 a 14. Son ácidas las disoluciones con pH menores que 7 (el valor del exponente de la concentración es mayor, porque hay más iones hidrógeno en la disolución). Por otro lado, las

disoluciones alcalinas tienen un pH superior a 7. La disolución se considera neutra cuando su pH es igual a 7, por ejemplo el agua. Definición Reacción de autoionización del agua El pH se define como el logaritmo negativo en base 10 de la actividad de los iones hidrógeno Se considera que p es un operador logarítmico sobre la concentración de una disolución p = –log[...]. También se define el pOH, como el logaritmo negativo de la concentración de iones hidróxido. pOH = –log [OH-]. Puesto que el agua está adulterada en una pequeña extensión en iones [OH –] y [H3O+], se tiene: K (constante)w (water; agua) = [H3O+]·[OH–] = 10–14, donde [H3O+] es la concentración de iones hidrógeno, [OH−] la de iones hidroxilo, y Kw es una constante conocida como producto iónico del agua, que vale 10−14. Por lo tanto, log Kw = log [H+] + log [OH–] –14 = log [H+] + log [OH–] 14 = –log [H+] – log [OH–]

pH + pOH = 14 Por lo que se pueden relacionar directamente los valores del pH y del pOH. En disoluciones no acuosas o fuera de condiciones normales de presión y temperatura, un pH de 7 puede no ser el neutro. El pH al cual la disolución es neutra está relacionado con la constante de disociación del disolvente en el que se trabaje. Medición del pH Dependiendo del pH del suelo, la hortensia (Hydrangea) puede poseer flores rosas o azules. En suelos ácidos (pH < 7) las flores son azules; en suelos básicos (pH > 7) son rosas.3 pH-metro. Instrumento para medir el pH de las disoluciones. El valor del pH se puede medir de forma precisa mediante un potenciómetro, también conocido como pH-metro (/pe achímetro/ o /pe ache metro/), un instrumento que mide la diferencia de potencial entre dos electrodos: un electrodo de referencia (generalmente de plata/cloruro de plata) y un electrodo de vidrio que es sensible al ion de hidrógeno. El pH de una disolución se puede medir también de manera aproximada empleando indicadores: ácidos o bases débiles que presentan diferente color según el pH. Generalmente se emplea un papel indicador, que consiste en papel impregnado con una mezcla de indicadores cualitativos para la determinación del pH. El indicador más conocido es el papel de litmus o papel tornasol. Otros indicadores usuales son la fenolftaleína y el naranja de metilo.

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A pesar de que muchos potenciómetros tienen escalas con valores que van desde 1 hasta 14, los valores de pH también pueden ser menores que 1 o mayores que 14. Por ejemplo el ácido de las baterías de automóviles tienen valores de pH menores que uno. Por contraste, el hidróxido de sodio 1 M varía de 13.5 a 14.

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A 25 °C, un pH igual a 7 es neutro, uno menor que 7 es ácido, y si es mayor que 7 es básico. A distintas temperaturas, el valor de pH neutro puede variar debido a la constante de equilibrio del agua: Kw.

La determinación del pH es uno de los procedimientos analíticos más importantes y más utilizados en química y bioquímica. El pH determina muchas características notables de la estructura y de la actividad de las moléculas, por lo tanto, del comportamiento de células y organismos. El pH que es medido en el laboratorio, generalmente no es el mismo que el calculado mediante la ecuación: pH = –log[H+], porque el valor numérico de la concentración de iones hidrógeno, no es igual al valor de su actividad, excepto, para las disoluciones diluidas. Disoluciones amortiguadoras

Inyección intravenosa. Las inyecciones contienen disoluciones reguladoras para mantener el pH del cuerpo humano, cuando se realiza una reacción química. Diversas reacciones químicas que se generan en disolución acuosa necesitan que el pH del sistema se mantenga constante, para evitar que ocurran otras reacciones no deseadas. Las disoluciones reguladoras, amortiguadoras o búfer, son capaces de mantener la acidez o basicidad de un sistema dentro de un intervalo reducido de pH. Estas disoluciones contienen como especies predominantes, un par ácido/base conjugado en concentraciones apreciables. La capacidad reguladora que posea la disolución depende de la cantidad presente del ácido débil y su base débil conjugada, mientras mayor sea esta cantidad, mayor será la efectividad de dicha disolución. El que sean ácidos y bases débiles significa

que actúan

como electrólitos débiles, en pocas palabras, no se ionizan por completo en agua. La reacción de neutralización es una reacción entre un ácido y una base. Generalmente en las reacciones acuosas ácido-base se generan agua y una sal. El organismo dispone de tres recursos para mantener el pH en valores compatibles con la vida: 1. Amortiguadores (disoluciones buffer). 2. Regulación pulmonar de la pCO2: presión parcial de gas carbónico de un medio gaseoso (aire) o líquido (sangre). Normalmente es de 40 mm de Hg en el aire alveolar (paCO2) y en la sangre arterial (paCO2), y de 45 a 48 mm

de Hg en la sangre venosa mezclada (pvCO2). La pCO2 de la sangre mide el CO2 disuelto en el plasma sanguíneo.4 3. Reabsorción y excreción renal de bicarbonato y excreción de ácidos. 5 Las variaciones de pH en nuestro organismo pueden modificar ciertos procesos fisiológicos, tal es el caso de la reacción enzimática. Cada enzima de nuestro cuerpo tiene un intervalo de pH, que comúnmente se le conoce como "pH óptimo", en el cual la enzima desarrolla su máxima actividad. Si esta se encuentra en condiciones fuera del pH óptimo, puede reducir su velocidad de activación, modificar su estructura, o lo que es peor, dejar de funcionar.6 Algo más cotidiano para nosotros son las inyecciones. Los fluidos que se emplean para preparar específicamente las inyecciones intravenosas, incluyen un sistema amortiguador para que la sangre mantenga su pH. Con todo esto se refleja la importancia de las disoluciones amortiguadoras, ya que sin estas, todas las reacciones químicas de los organismos, no podrían realizarse de manera eficaz.

INALL PROFESORA: DELMI VIOLETTA

MATERIA: CIENCIA FISICA

SECCIÓN: 2º TECNICO ¨Ä¨

ALUMNO(A):  JOSELIN JOHANA ESCALON CORTEZ