Me ré colgué con esto
, bueno acá está la parte 8 de "101 preguntas sobre ciencia y sus respuestas".
En este post van a estar las preguntas 77 - 87.
Mientras leen el post (si es que lo van a leer) escuchen este tema
77)La luz roja es la menos desviada al pasar por un prisma, pero la que más se desvía al pasar por una red de difracción. ¿Por qué esa diferencia?
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78)¿Qué ocurre con la energía cuando dos haces de luz interfieren y producen oscuridad?
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79)¿Qué es el efecto Coriolis?
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80)El sonido se mueve más deprisa en sustancias densas como el agua o el acero que en el aire; sin embargo se mueve más deprisa en el aire caliente que en el frío, cuando el aire caliente es menos denso que el frío. ¿Es una paradoja?
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81)¿Se hunden los barcos hasta el fondo del mar o llega un momento en que la presión les impide seguir bajando?
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82)¿Cuáles son los elementos químicos más activos y por qué?
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83)¿Qué tienen de noble los gases nobles?
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84)¿Por qué se forman los cristales y por qué lo hacen siempre en ciertas formas?
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85)¿Se puede comprimir el agua?
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86)¿Qué es el hidrógeno metálico? ¿Cómo puede ser el hidrógeno un metal?
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87) ¿Qué es la "poliagua"? Si sigue siendo H2O, ¿cuál es la diferencia?
77.- La luz roja es la menos desviada al pasar por un prisma, pero la que más se desvía al pasar por una red de difracción. ¿Por qué esa diferencia?
La luz cabe considerarla como un movimiento ondulatorio y la luz del Sol como una colección de ondas de diferentes longitudes. La luz de diferentes longitudes de onda produce efectos distintos sobre la retina, y es eso lo que nos da la sensación de los colores. De todas las formas visibles de luz, la roja es la de mayor longitud de onda; luego viene el anaranjado, el amarillo, el verde, el azul y finalmente el violeta.
Cuando la luz pasa del aire al vidrio, al agua o a otro medio transparente, disminuye su velocidad. Si el haz de luz incide sobre el trozo de vidrio con un ángulo oblicuo desde la derecha, la parte derecha del haz, que es la que primero choca contra el vidrio, es también la que pierde primero velocidad. Durante un instante, la parte derecha se mueve lentamente mientras que la izquierda sigue a toda velocidad. El resultado es que el haz cambia de dirección al entrar en el vidrio. Es lo que se llama "refracción".
Lo mismo ocurriría si una columna de soldados entrara oblicuamente desde una carretera asfaltada a un campo arado. Los soldados que se encuentran en el lado más próximo al campo entrarían primero en él y disminuirían antes el paso. Y a menos que se hiciera un esfuerzo deliberado para impedirlo, la columna cambiaría de dirección al entrar en el campo.
El efecto retardador del campo proviene de la dificultad de despegar las botas en un suelo blando. Una vez despegada y en el aire, se mueve igual de deprisa en un campo que una carretera. Lo cual significa que los soldados pasilargos, al establecer menos contactos por unidad de distancia que los pasicortos (gracias a su mayor zancada), sufrirán un retardo menor. Una columna de soldados pasilargos cambiaría menos de dirección que otra de pasicortos.
La luz roja, con su gran longitud de onda, es similar en este aspecto a un soldado pasilargo. Su velocidad disminuye menos que la de la luz de cualquier otro color, y, por tanto, sufre una refracción mínima. Y la luz violeta es naturalmente la que se refracta más.
La difracción implica un principio completamente diferente. Un movimiento ondulatorio puede rodear libremente un obstáculo con tal que éste no sea mayor que la longitud de una de sus ondas. Cuanto mayor es el obstáculo, peor podrá rodearlo.
Las longitudes de onda de la luz son tan diminutas (aproximadamente 1/20.000 de centímetro) que al tropezar con obstáculos corrientes no se desvía apenas nada, sino que prosigue en línea recta y proyecta sombras nítidas. (Las ondas sonoras, cuya naturaleza es muy distinta de las de la luz, son mucho más largas. Por eso se puede oír al otro lado de una esquina, pero no ver.... al menos sin espejos.)
Una red de difracción consiste en un gran número de líneas opacas muy finas, todas ellas paralelas y trazadas sobre un fondo transparente. Las líneas opacas son lo bastante finas como para que incluso las diminutas ondas luminosas, al pasar por las regiones transparentes vecinas, puedan rodearlas un poco. Esto es lo que se denomina "difracción".
Está claro que cuanto más larga sea la longitud de onda de la luz, más pequeña será la obstrucción de las líneas opacas y tanto más podrá abarcar la luz alrededor de ellas. La luz roja, con su gran longitud de onda, es la que más puede abarcar alrededor de las líneas opacas y, por tanto, la que más se difracta. Y la luz violeta, por supuesto, la que menos.
Tanto los prismas de refracción como las redes de difracción dan un "arco iris" o espectro. Pero uno es el inverso del otro. Leyendo hacia fuera desde la dirección original de la luz, el espectro de refracción es rojo, anaranjado, amarillo, verde, azul y violeta. Y el de difracción: violeta, azul, verde, amarillo, anaranjado y rojo. amarillo, anaranjado y rojo.
78.- ¿Qué ocurre con la energía cuando dos haces de luz interfieren y producen oscuridad?
Un haz de luz viene a estar compuesto por un tren de ondas. Cuando dos haces luminosos chocan entre sí formando un ángulo pequeño, puede ocurrir que las ondas se encuentren de tal manera que cuando las unas bajan las otras suben, y viceversa. Las dos ondas "interfieren" y se cancelan parcial o incluso totalmente. El resultado es que la combinación de dos ondas puede producir una luz menos intensa que cualquiera de ellas por separado.
Ahora bien, cada uno de los conjuntos de ondas representa una cierta cantidad de energía. Si las dos ondas se cancelan mutuamente y provocan oscuridad allí donde antes había luz, ¿es que ha desaparecido la energía?
¡Naturalmente que no! Una de las reglas fundamentales de la física es que la energía no puede desaparecer. Tal es la "ley de conservación de la energía". En el fenómeno de la interferencia hay una energía que ha dejado de existir en forma de luz. Por tanto, tiene que aparecer una cantidad exactamente igual de energía en otra forma distinta.
La forma menos organizada de energía es la del movimiento aleatorio de las partículas que componen la materia, movimiento que llamamos "calor". La energía tiende a perder organización al cambiar de forma, de manera que cuando parece que la energía desaparece, lo mejor es buscar calor, es decir, moléculas que se muevan al azar y a velocidades mayores que antes.
Esto es lo que ocurre en el caso de la interferencia luminosa. En teoría es posible disponer dos haces de luz de manera que interfieran perfectamente. Al incidir en una pantalla la dejarán perfectamente, oscura, pero aun así, la pantalla aumentará de temperatura. La energía no ha desaparecido, sólo ha cambiado de forma.
Un problema parecido es el siguiente. Supongamos que damos cuerda al resorte de un reloj. Ahora contiene más energía que cuando estaba distendido. A continuación disolvemos el resorte, todavía tenso, en un ácido. ¿Qué ocurre con la energía?
También aquí se convierte en calor. Si empezamos con dos soluciones ácidas a la misma temperatura y disolvemos en una de ellas un muelle distendido y en la otra un muelle tenso (por lo demás idénticos), la segunda solución tendrá al final una temperatura mayor que la primera.
La ley de la conservación de la energía no fue entendida del todo hasta el año 1847, cuando los físicos lograron captar en todo su sentido la naturaleza del calor. Desde entonces, la aplicación de esa ley ha permitido comprender una serie de fenómenos básicos. Las transformaciones radiactivas, pongamos por caso, producen más calor del que podían explicar los cálculos físicos decimonónicos. El problema quedó resuelto cuando, Einstein elaboró su famosa ecuación e = mc2, demostrando que la propia materia era una forma de energía.
Por otro lado, en algunas transformaciones radiactivas se producen electrones de energía demasiado pequeña. En lugar de admitir una violación de la ley de conservación de la energía, Wolfgang Pauli sugirió en 1931 que en dicha transformación se producía simultáneamente otra partícula, el neutrino, que se llevaba el resto de la energía. Y tenía razón. llevaba el resto de la energía. Y tenía razón.
79.- ¿Qué es el efecto Coriolis?
Moverse por un objeto que sea estacionario o que se desplace a velocidad constante con respecto a un punto fijo no representa ningún problema. Si queremos desplazarnos desde el punto A en uno de los extremos hasta el punto B en el extremo contrario, lo podremos hacer sin experimentar ninguna dificultad.
Pero la situación cambia cuando, las distintas partes del objeto llevan una velocidad diferente. Pensemos en un tiovivo o cualquier otro objeto plano y grande que gire alrededor de su centro. El objeto entero gira de una pieza, pero lo cierto es que cualquier punto cercano al centro describe un círculo pequeño y se mueve despacio mientras que los puntos próximos al borde exterior describen círculos grandes y se mueven, por tanto, muy deprisa.
Imagina que estás en un punto próximo al centro y que quieres dirigirte a otro cerca del borde exterior, siguiendo una línea recta que arranque del centro. En el punto de salida, cerca del centro, participas de la velocidad de dicho punto y, por tanto, te mueves despacio. Sin embargo, a medida que avanzas hacia afuera el efecto de la inercia tiende a que sigas moviéndote despacio mientras que el suelo que pisas va cada vez más rápido. La combinación de tu lentitud y la rapidez del suelo hacen que te sientas empujado en la dirección opuesta a la del movimiento de giro. Si el tiovivo gira en dirección contraria a la de las manillas del reloj, comprobarás que tu trayectoria se curva cada vez, más en el sentido de las manillas del reloj a medida que avanzas.
Si empiezas en un punto próximo al borde exterior y avanzas hacia el centro, retendrás la rapidez de dicho punto al tiempo que el suelo irá moviéndose cada vez más despacio debajo de tus pies. Por consiguiente, te sentirás empujado cada vez más en la dirección de giro. Sí el tiovivo se mueve en dirección contraria a la de las manillas del reloj, tu trayectoria se curvará cada vez más en el sentido de las agujas del reloj.
Saliendo de un punto próximo al centro, desplazándote hasta un punto cercano al borde exterior y volviendo luego al centro, comprobarás, si sigues siempre el camino de menor resistencia, que has descrito una trayectoria más o menos circular.
Este fenómeno fue estudiado por primera vez con detalle en 1835 por el físico francés Gaspard de Coriolis, y en honor suyo se llama "efecto Coriolis". A veces se denomina "fuerza de Coriolis", pero en realidad no es una fuerza, sino simplemente el resultado de la inercia.
La consecuencia más importante del efecto Coriolis para los asuntos cotidianos tiene que ver con la rotación de la Tierra. Los puntos de la superficie terrestre cercanos al ecuador describen en el lapso de veinticuatro horas un gran círculo y, por tanto, se mueven muy deprisa. Cuanto más al norte (o al sur) nos movamos, menor es el círculo descrito por un punto de la superficie y más despacio se mueve.
Los vientos y corrientes oceánicas que corren hacía el norte desde los trópicos llevan desde el principio, por la misma rotación terrestre, un rápido movimiento de oeste a este. Al desplazarse hacia el norte conservan su velocidad, pero como resulta que la superficie de la Tierra se mueve cada vez más despacio, el viento o la corriente se adelanta y empieza a curvarse hacia el este. Al final acaban por moverse en grandes círculos: a derechas en el hemisferio norte y a izquierdas en el hemisferio sur.
Es, precisamente el efecto Coriolis el que inicia ese movimiento circular que, concentrado en mayor grado (y, por tanto, más energéticamente) da origen a los huracanes, y en grado aún mayor, a los tornados. huracanes, y en grado aún mayor, a los tornados.
80.- El sonido se mueve más deprisa en sustancias densas como el agua o el acero que en el aire; sin embargo se mueve más deprisa en el aire caliente que en el frío, cuando el aire caliente es menos denso que el frío. ¿Es una paradoja?
Lo que nuestros oídos detectan como sonido está causado por una vibración que a su vez origina un movimiento oscilatorio en los átomos o moléculas que constituyen el medio por el que se propaga, La vibración empuja y comprime las moléculas cercanas. Las moléculas así comprimidas vuelven a separarse después y originan otra compresión en la región adyacente, de suerte que la zona de compresión parece propagarse hacia fuera a partir de la fuente sonora. La velocidad con que se mueve la onda de compresión a partir de la fuente es la velocidad del sonido en ese medio.
La velocidad del sonido depende de la velocidad natural con que se mueven las moléculas que componen cada sustancia. Comprimida una cierta sección de aire (sí éste es el medio en cuestión), las moléculas vuelven luego a disgregarse por efecto de sus movimientos aleatorios naturales. Si este movimiento aleatorio es rápido, las moléculas de la región comprimida se disgregan rápidamente y comprimen, también rápidamente, las moléculas de la región vecina. Esta, a su vez, se dilata rápidamente y comprime a la sección siguiente con igual celeridad. En resumidas cuentas: la onda de compresión se propaga rápidamente y la velocidad del sonido en ese medio es alta.
Cualquier factor que aumente (o disminuya) la velocidad natural de las moléculas del aire, aumenta (o disminuye) la velocidad del sonido en el aire.
Pues bien, las moléculas del aire se mueven más deprisa a temperaturas altas que a bajas. Y por eso el sonido se propaga más rápidamente a través. del aire caliente que del frío. Lo cual no tiene nada que ver con la densidad.
A 0º C, el punto de congelación del agua, el sonido, se propaga a 1.195 kilómetros por hora. Esta velocidad aumenta a razón de 2,2 kilómetros por hora con cada grado adicional de temperatura.
Los gases compuestos por moléculas más ligeras que las del aire son, por lo general, menos densos que éste. Las moléculas más ligeras se mueven también con mayor rapidez. La velocidad del sonido en esos gases ligeros es mayor que en el aire, pero no por efecto de la menor densidad, sino por la mayor rapidez de las moléculas. En hidrógeno a 0º el sonido se propaga a 4.667 kilómetros por hora.
Al pasar a los líquidos y sólidos la situación es completamente diferente ala de los gases. En éstos, las moléculas están muy distanciadas y apenas interfieren entre sí. Las moléculas, después de comprimirlas, sólo se separan por efecto de sus movimientos aleatorios. Por el contrario, las moléculas y átomos de los líquidos y sólidos se mantienen en contacto. Al comprimirlas, se separan de nuevo rápidamente debido a su repulsión mutua.
Lo anterior se aplica especialmente a los sólidos, donde los átomos y moléculas se mantienen más o menos rígidamente fijos en su sitio. Cuanto más rígida sea esta atadura, más rápidamente recuperarán su posición al comprimirlos. Por eso el sonido se propaga más deprisa en líquidos que en gases, más deprisa aún en sólidos, y aún más en sólidos rígidos. La densidad no es el factor principal.
Así, el sonido se propaga en el agua a unos 5.311 kilómetros por hora, y en el acero, a unos 17.700 kilómetros por hora. acero, a unos 17.700 kilómetros por hora.
81.- ¿Se hunden los barcos hasta el fondo del mar o llega un momento en que la presión les impide seguir bajando?
Un objeto se hunde en el agua si es más denso que ella. La densidad del agua es de un gramo por centímetro cúbico, y las sustancias como la piedra o los metales son mucho más densos que eso. Los barcos, aunque están construidos de grandes masas de acero, flotan porque en su interior encierran grandes espacios de aire. La densidad media del acero y demás materiales de construcción más el volumen de aire dentro del barco es menor que la del agua. Si por accidente, entra agua en el barco, la densidad media de los materiales de construcción más el agua del interior es mayor que la del agua, y el barco se hunde.
A medida que se hunde, va experimentando presiones cada vez mayores. En la superficie del océano, la presión (debida a la atmósfera) es de 1.034 gramos por centímetro cuadrado de superficie. Diez metros más abajo, el peso de esa columna de agua añade otros 1.034 gramos por centímetro cuadrado a la presión, y lo mismo para cada uno de los diez metros siguientes. La presión en el fondo del lugar más profundo del océano que se conoce es de mil cien veces la presión atmosférica, lo que equivale a más de una tonelada por centímetro cuadrado.
Tales presiones no tienen, sin embargo, ningún efecto sobre el empuje hacia arriba que experimenta un objeto al hundirse. La presión actúa en todas las direcciones por igual, hacia abajo, hacia arriba y lateralmente, de manera que el objeto sigue hundiéndose, sin hacer ningún caso del aumento de presión.
Pero hay otro factor. La presión comprime el agua y aumenta así su densidad. ¿No podría ser que, como consecuencia de ese aumento de presión, el agua se hiciese tan densa que el objeto dejara de hundirse y quedará flotando en las profundidades del mar?
¡No! El efecto de compresión es muy pequeño. Incluso a una presión de 1 tonelada por centímetro cuadrado, la densidad del agua aumenta sólo de 1 a unos 1,05 gramos por centímetro cúbico. Un sólido que tuviera una densidad de 1,02 gramos por centímetro cúbico se hundiría, efectivamente en el agua, pero quedaría flotando a unos cinco kilómetros de profundidad. Los materiales de construcción ordinarios, sin embargo, tienen densidades muy superiores a 1,05. La densidad del aluminio es 2,7 y la del acero 7,8 gramos por centímetro cúbico. Los barcos metálicos se hundirían hasta el fondo de los abismos más profundos sin la menor posibilidad de flotar.
Pero supongamos que el océano fuese más profundo aún. ¿Llegaría un momento en que una barra de aluminio por poner un ejemplo, alcanzase una profundidad máxima? La respuesta sigue siendo, ¡no!
Si los océanos tuviesen una profundidad de 68 kilómetros (en lugar de unos 11 como máximo), la presión en el fondo alcanzaría unas 7 toneladas por centímetro cuadrado y la densidad del agua 1,3 gramos por centímetro cúbico. Pero para entonces el agua ya no sería líquida, sino que se convertiría en una sustancia sólida llamada "hielo VI". (El hielo VI es más denso que el agua, mientras que el hielo I, el hielo ordinario, es menos denso.)
Por consiguiente, el aluminio o cualquier otra sustancia de densidad mayor que 1,3 gramos por centímetro cúbico descenderían hasta cualquier profundidad oceánica mientras el agua siguiese siendo líquida, y en último término iría a posarse sobre una superficie sólida que podría ser el fondo marino o ese hielo VI. El agua ordinaria nunca puede hacerse suficientemente densa para hacer flotar al aluminio y mucho menos al acero. flotar al aluminio y mucho menos al acero.
82.- ¿Cuáles son los elementos químicos más activos y por qué?
Los electrones rodean al núcleo atómico en esferas concéntricas llamadas "capas". Para cada elemento hay un número fijo de electrones en cada capa. La distribución es especialmente estable cuando hay ocho electrones en la capa más exterior.
Supongamos, sin embargo, que un elemento tiene tantos electrones, que después de acomodar ocho de ellos en una de las capas exteriores quedan varios por alojar en una capa aún más externa. Estos pocos electrones, los más exteriores y, como todos, cargados negativamente, son atraídos muy débilmente por el núcleo atómico, cargado positivamente y situado en el centro. Esos electrones exteriores son cedidos con gran facilidad a otros átomos. Lo que quede ahora del átomo es esa disposición estable de ocho electrones en la capa más externa.
Las reacciones químicas implican la transferencia de electrones, por lo cual un elemento que pueda perder fácilmente uno o más participará ávidamente en tales reacciones y será "químicamente activo". Por lo general, cuantos menos sean los electrones que excedan de ocho, tanto más fácilmente son transferidos y más activo es el elemento. Los elementos más activos con los que tienen un único electrón por encima de los ocho: aquellos en los que hay un electrón solitario en las capas exteriores.
Ejemplos de tales elementos son el sodio, con una distribución electrónica en tres capas (2, 8, 1), y el potasio, en cuatro capas (2, 8, 8, 1).
Las capas electrónicas interiores tienden a aislar a ese solitario electrón exterior del núcleo, positivamente cargado. Cuantas más capas haya entremedias, tanto más débil es la atracción del núcleo sobre el electrón exterior y tanto más fácil es que el átomo lo transfiera. Por eso el potasio es más activo que el sodio, y el cesio (2, 8, 18, 18, 8, 1) más aún que el potasio.
Todavía más activo sería el francio (2, 8, 18, 32, 18, 8, 1), pero tiene el inconveniente que sólo se pueden estudiar unos cuantos átomos cada vez. Su isótopo más estable tiene una vida media de sólo veintiún minutos. El cesio es, por tanto, el elemento metálico estable más activo.
Supongamos ahora que a un elemento le faltan algunos electrones para completar una capa exterior de ocho. Tales átomos muestran cierta tendencia a aceptar ciertos electrones hasta completar la cifra de ocho. Por consiguiente, intervienen ávidamente en reacciones químicas y son activos.
En general, cuanto menor es el número de electrones que faltan para completar los ocho, mayor es la tendencia a aceptar electrones. Por eso los elementos los elementos más activos de esta clase son aquellos cuyos átomos contienen siete electrones en la capa exterior, necesitando sólo uno para completar los ocho.
Ejemplos de tales elementos son el cloro, cuya distribución de electrones es (2, 8, 7), y el bromo, con (2, 8, 18, 7). En estos elementos ocurre que cuanto mayor es la atracción del núcleo, mayor es la tendencia a robar el electrón que falta. A menor número de capas internas de electrones, menor aislamiento alrededor del núcleo, mayor la atracción de éste y más activo el elemento.
De los elementos de esta clase, el que menos capas de electrones tiene es el flúor, con una disposición electrónica (2, 7). El flúor es, por tanto, el elemento no metálico más activo. elemento no metálico más activo.
83.- ¿Qué tienen de noble los gases nobles?
Los elementos que reaccionan difícilmente o que no reaccionan en absoluto con otros elementos se denominan "inertes". El nitrógeno y el platino son ejemplos de elementos inertes.
En la última década del siglo pasado se descubrieron en la atmósfera una serie de gases que no parecían intervenir en ninguna reacción química. Estos nuevos gases, helio, neón, argón, criptón, xenón y radón, son más inertes que cualquier otro elemento y se agrupan bajo el nombre de "gases inertes".
Los elementos inertes reciben a veces el calificativo de "nobles" porque esa resistencia a reaccionar con otros elementos recordaba un poco a la altanería de la aristocracia. El oro y el platino son ejemplo de "metales nobles", y por la misma razón se llamaba a veces "gases nobles" a los gases inertes. Hasta 1962 el nombre más común era el de "gases inertes", quizá porque lo de nobles parecía poco apropiado en sociedades democráticas.
La razón que los gases inertes sean inertes es que el conjunto de electrones de cada uno de sus átomos está distribuido en capas especialmente estables. La más exterior, en concreto, tiene ocho electrones. Así la distribución electrónica del neón es (2, 8) y la del argón (2, 8, 8). Como la adición o sustracción de electrones rompe esta distribución estable, no pueden producirse cambios electrónicos. Lo cual significa que no se pueden producir reacciones químicas y que esos elementos son inertes.
Ahora bien, el grado de inercia depende de la fuerza con que el núcleo, cargado positivamente y situado en el centro del átomo, sujeta a los ocho electrones de la capa exterior. Cuantas más capas electrónicas haya entre la exterior y el centro, más débil será la atracción del núcleo central.
Quiere esto decir que el gas inerte más complejo es también el menos inerte. El gas inerte de estructura atómica más complicada es el radón. Sus átomos tienen una distribución electrónica de (2, 8, 18, 32, 18, 8). El radón, sin embargo, está sólo constituido por, isótopos radiactivos y es un elemento con el que difícilmente se pueden hacer experimentos químicos. El siguiente en orden de complejidad es el xenón, que es estable. Sus átomos tienen una distribución electrónica de (2, 8, 18, 18, 8).
Los electrones más exteriores de los átomos de xenón y radón están bastante alejados del núcleo y, por consiguiente, muy sueltos. En presencia de átomos que tienen una gran apetencia de electrones, son cedidos rápidamente. El átomo con mayor apetencia de electrones es el flúor, y así fue como en 1962 el químico canadiense Neil Bartlett consiguió formar compuestos de xenón y flúor.
Desde entonces se ha conseguido formar también compuestos de radón y criptón. Por eso los químicos rehuyen el nombre de "gases inertes", porque, a fin de cuentas, esos átomos no son completamente inertes. Hoy día se ha impuesto la denominación de "gases nobles" y existe toda una rama de la química que se ocupa de los "compuestos de gases nobles".
Naturalmente, cuanto más pequeño es el átomo de un gas noble, más inerte es, y. no se ha encontrado nada que sea capaz de arrancarles algún electrón. El argón, cuya distribución electrónica es (2, 8, 8), y el neón, con (2, 8), siguen siendo completamente inertes. Y el más inerte de todos es el helio, cuyos átomos contienen una sola capa electrónica con dos electrones (que es lo máximo que puede alojar esa primera capa). que puede alojar esa primera capa).
84.- ¿Por qué se forman los cristales y por qué lo hacen siempre en ciertas formas?
En condiciones ordinarias existen tres estados de la materia: gaseoso, líquido y sólido. En los gases, la energía de los átomos o (lo que es más corriente) de las moléculas que los componen es tan grande y/ o la atracción entre las distintas moléculas es tan pequeña, que éstas se mueven independientes de un lado para otro.
Si la energía disminuye hasta un cierto punto, las moléculas ya no pueden conservar su independencia, y tienen que permanecer en contacto unas con otras. Sin embargo, hay todavía suficiente energía para que las moléculas se muevan un poco, deslizándose unas sobre otras. Lo que tenemos entonces es un líquido.
Si la energía disminuye aún más, las moléculas ya no podrán resbalar y deslizarse, sino que tienen que permanecer fijas en una orientación determinada (aunque, pueden vibrar, y de hecho vibran, de un lado a otro alrededor de esa posición fija). La sustancia es ahora un sólido.
Dos moléculas vecinas (o átomos, o iones) de un sólido no pueden ocupar una posición cualquiera, sino que adoptan una ordenación regular que depende de la proporción de partículas diferentes que haya, de las diferencias, de tamaño que puedan existir, de la presión exterior, etc. En el cloruro sódico, los iones de sodio y los de cloruro están en igualdad de número y difieren en tamaño. En el fluoruro de cesio, los iones de cesio y los de fluoruro están en igualdad numérica, pero los primeros son mucho mayores que los segundos. En el cloruro de magnesio, los iones de magnesio y los de cloruro no difieren apenas en tamaño, pero hay el doble de los segundos que de los primeros. Esto hace que cada compuesto empaquete sus iones de manera diferente.
Cualquier trozo visible de materia compuesta de átomos, iones o moléculas dispuestos de manera ordenada mostrará superficies lisas que se cortan según ángulos fijos. (Es lo mismo que una formación militar vista desde el aire. Quizá no podamos ver uno a uno a cada soldado, pero si van bien formados veremos que la formación es un rectángulo, por ejemplo.) La forma del trozo visible de materia (o "cristal"
depende de la ordenación atómica. Para cualquier sustancia dada, y con un conjunto específico de condiciones, sólo hay una distribución atómica posible. De ahí que los cristales tengan siempre una forma dada.
Las sustancias sólidas son casi siempre de naturaleza cristalina, aunque no lo parezca. Para formar un cristal perfecto, lo mejor es empezar con una sustancia pura en disolución (para que no se cuelen átomos extraños que pueden perturbar la ordenación). Luego hay que enfriarla lentamente, para que los átomos tengan tiempo de irse colocando cada uno en su lugar. Lo que predomina en la naturaleza son mezclas de sustancias, y por eso lo que resulta al final es una yuxtaposición de diferentes tipos de cristales que se entrecruzan. Además, si el enfriamiento es muy rápido, se empiezan a formar tantos cristales que ninguno de ellos tiene la oportunidad de pasar del tamaño microscópico, con lo cual cada uno se orienta por su lado y no dan una forma determinada.
Por eso es muy raro ver cristales grandes y limpios en la naturaleza. Lo que solemos encontrar son trozos irregulares de material compuesto por cristales microscópicos que no vemos.
Hay sustancias sólidas que no son cristalinas y que, por tanto, no son realmente sólidas. El vidrio, por ejemplo. El vidrio líquido es muy viscoso, y eso impide que los iones se muevan con soltura y se ordenen adecuadamente. Al enfriarse el vidrio, los iones se van moviendo cada vez más despacio hasta que se detienen del todo, conservando en adelante la posición que tenían en ese momento.
En tales condiciones no hay ordenación ninguna, de modo que el vidrio "sólido" es realmente un "líquido sub-enfriado". El vidrio es ciertamente duro y parece sólido, pero no tiene estructura cristalina ni tampoco (lo cual es decisivo) un punto de fusión definido. Por eso el vidrio "sólido" se va ablandando poco a poco al calentarlo. poco al calentarlo.
85.- ¿Se puede comprimir el agua?
La contestación más sencilla es que cualquier cosa se puede comprimir.
Lo cierto es que es mucho más fácil comprimir materia en forma gaseosa que en cualquier otra modalidad. Y es porque los gases están compuestos de moléculas muy separadas entre sí. En el aire normal, pongamos por caso, las moléculas ocupan algo así como una décima parte del volumen total.
Parta comprimir un gas basta con apretujar las moléculas un poco contra la tendencia expansiva de su propio movimiento aleatorio y eliminar algo del espacio vacío que existe entre ellas. Es un trabajo para el cual basta la fuerza muscular del hombre. Cuando hinchamos un globo estamos comprimiendo aire.
En el caso de los líquidos y sólidos, los átomos y moléculas que los componen están más o menos en contacto. Si no se acercan aún más es por la repulsión mutua de los electrones que existen en las regiones, exteriores de los átomos. Esta repulsión es una resistencia mucho más fuerte a la compresión que el movimiento molecular en un gas. Se quiere decir que los músculos humanos no bastan ya para realizar este trabajo, al menos para que sea perceptible.
Pensemos por un momento que vertimos cierta cantidad de agua en un recipiente rígido abierto por arriba y que ajustamos un pistón en la abertura hasta tocar al agua. Si empujamos el pistón hacia abajo con todas nuestras fuerzas, veremos que apenas cederá. Por eso se dice a menudo que el agua es "incompresible" y que no se puede apretujar en un volumen más pequeño.
Nada de eso. Al empujar el pistón sí que comprimimos el agua, pero no lo suficiente para medirlo. Si la presión aplicada es mucho mayor que la que pueden ejercer los músculos humanos, la disminución del volumen de agua, o de cualquier otro líquido o sólido, llega a ser medible. Por ejemplo, si comprimimos 100 litros de agua con una fuerza de 1.050 kilogramos por centímetro cuadrado, su volumen se contraerá a 96 litros. Si la presión aumenta aún más, el volumen Seguirá disminuyendo. Bajo tal compresión, los electrones son, empujados, por así decir, cada vez más cerca del núcleo.
Si la presión se hace suficientemente grande, digamos que por el peso acumulado de muchos miles de kilómetros de materia bajo una gran fuerza gravitatoria—, la repulsión electrostática se viene abajo. Los electrones ya no se pueden mantener en órbita alrededor del núcleo y son desplazados. La materia se reduce entonces a núcleos atómicos desnudos y electrones volando de acá para allá en movimientos alocados.
Los núcleos son mucho más diminutos que los átomos, de manera que esta "materia degenerada" sigue siendo en su mayor parte espacio vacío. La presión en el centro de la Tierra o incluso de Júpiter no es suficiente para formar materia degenerada, pero en cambio sí la hay en el centro del Sol.
Una estrella compuesta por entero de materia degenerada puede tener la misma masa que el Sol y aun así poseer un volumen no mayor que el de la Tierra. Es lo que se llama una "enana blanca". Bajo su propia gravedad puede comprimirse aún más, hasta quedar compuesta de neutrones en contacto mutuo. Tales "estrellas de neutrones" pueden albergar la masa entera del Sol en una esfera de trece kilómetros.
E incluso eso puede comprimirse, piensan los astrónomos, hasta el volumen cero de un "agujero negro".
86.- ¿Qué es el hidrógeno metálico? ¿Cómo puede ser el hidrógeno un metal?
Todo el mundo reconoce un metal al verlo, porque los metales tienen propiedades muy características. En superficies lisas reflejan la luz con gran eficacia, que es lo que les confiere su "brillo metálico", mientras que los no metales son muy poco reflectantes y poseen una tonalidad opaca. Los metales son fácilmente deformables, se dejan extender en láminas y estirar en hilos, mientras que los no metales son quebradizos y se rompen o se pulverizan al golpearlos. Los metales conducen el calor y la electricidad fácilmente; los no metales, no.
¿De dónde viene la diferencia?
En la mayoría de los compuestos corrientes, como los que vemos a nuestro alrededor en el mar y en la tierra, las moléculas están compuestas por átomos firmemente unidos por electrones compartidos. Cada electrón está ligado firmemente a un átomo determinado. En estos casos la sustancia exhibe propiedades no metálicas.
Según este criterio, el hidrógeno es un no metal. El hidrógeno ordinario está compuesto de moléculas compuesto de moléculas constituidas por dos átomos de hidrógeno. Cada átomo de hidrógeno tiene un sólo electrón, y los dos átomos que componen una molécula comparten los dos electrones a partes iguales. No sobra ningún electrón.
¿Qué ocurre cuando hay electrones que no están firmemente ligados? Consideremos, por ejemplo, el elemento potasio. Cada átomo de potasio tiene diecinueve electrones distribuidos en cuatro capas. Los únicos electrones que se pueden compartir son los de la capa, exterior, de modo que en el caso del potasio cada átomo sólo puede compartir un electrón con su vecino. Además, este electrón exterior esta especialmente suelto porque entre él y el núcleo atómico central que lo atrae se interponen otras capas de electrones. Estas capas intermedias aíslan al electrón exterior de la atracción central.
Los átomos del potasio sólido están empaquetados muy juntos, como esas pirámides de naranjas que se ven a veces en las fruterías. Cada átomo de potasio tiene ocho vecinos. Con tantos vecinos y tan cerca, y estando tan suelto el electrón exterior, es muy fácil que cualquiera de éstos salte de un vecino a otro.
Son estos electrones sueltos y móviles los que permiten a los átomos de potasio empaquetarse tan densamente, conducir fácilmente el calor y la electricidad y deformarse. En resumen, estos electrones sueltos y móviles son los que hacen que el potasio (y otros elementos y mezclas que los poseen) sea metálico.
Pues bien, recordemos que el hidrógeno, al igual que el potasio, tiene un solo electrón para compartir con vecinos. Pero hay una diferencia. Entre ese único electrón del hidrógeno y el núcleo central no hay electrones aislantes. Por consiguiente, el electrón está demasiado sujeto para ser suficientemente móvil y poder convertir el hidrógeno en un metal o hacer que sus átomos se empaqueten densamente.
Pero ¿y si se le da al hidrógeno una pequeña ayuda? ¿Qué ocurre si se le obliga a empaquetarse densamente, no por su propia constitución electrónica, sino por presión exterior? Supongamos que la presión aplicada es suficiente para estrujar los átomos de hidrógeno y hacer que cada átomo quede rodeado por ocho, diez o incluso doce vecinos más próximos. Podría ser entonces que el electrón de cada átomo, a pesar de la fortísima atracción del núcleo, empezara a deslizarse de un vecino a otro. Lo que tendríamos sería "hidrógeno metálico".
Para conseguir que el hidrógeno se empaquete tan densamente, tiene que hallarse en estado casi puro (la presencia de otros átomos, estorbaría) y a una temperatura no demasiado alta. De lo contrario, se expandiría). Por otro lado tiene que hallarse bajo enormes presiones. Uno de los lugares del sistema solar donde las condiciones son casi perfectas es el centro de Júpiter, y hay quienes creen que el interior de este planeta está compuesto por hidrógeno metálico. creen que el interior de este planeta está compuesto por hidrógeno metálico.
87.- ¿Qué es la "poliagua"? Si sigue siendo H2O, ¿cuál es la diferencia?
Al describir la molécula de agua suele decirse que está compuesta por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno: H2O. Sí la cosa acabara ahí, sería una molécula pequeña con bajo punto de ebullición. El sulfuro de hidrógeno (H2S), que tiene una molécula parecida, pero más pesada (porque el S es más pesado que el O), es un gas que no se licua hasta los -61,8° C. Si el agua no, fuese más que H2O, se licuaría a una temperatura todavía más baja, quizá alrededor de los –80° C.
Pero consideremos la forma de las moléculas de agua Los tres átomos forman un ángulo casi recto, con el de oxígeno en el vértice. El oxígeno comparte dos electrones con cada uno de los átomos de hidrógeno, pero el reparto no es equitativo. El oxígeno ejerce una mayor atracción sobre los electrones, de modo que éstos, con su carga eléctrica negativa, están muy del lado del oxígeno. Por eso, aunque la molécula de agua es eléctricamente neutra en su conjunto, la parte del oxígeno tiene una pequeña carga negativa, mientras que los dos átomos de hidrógeno tienen pequeñas cargas positivas que contrarrestan a aquélla.
Las cargas de signo opuesto se atraen. Hay, pues, una tendencia a que dos moléculas del agua se alineen de manera que el extremo negativo (el del oxígeno) de una de ellas quede adyacente al positivo (el del hidrógeno) de la siguiente. Esto constituye un "enlace de hidrógeno" que es veinte veces más débil que los enlaces normales que unen al hidrógeno y al oxígeno dentro de la molécula. Sin embargo, basta para que las moléculas de agua sean "pegajosas".
Debido a esta pegajosidad, las moléculas de agua se unen con más facilidad y se separan con más dificultad que si no fuese así. Para superar esa fuerza pegajosa y hacer que hierva el agua, hace falta calentarla a 100° C. Cuando la temperatura baja hasta 0° C, la prevalencia de enlaces de hidrógeno es tal, que las moléculas de agua quedan fijas en su sitio, formándose hielo. De no ser por los enlaces de hidrógeno la temperatura tendría que ser mucho más baja para que esto ocurriera.
En una molécula como la del H2S no sucede lo mismo, porque el átomo de azufre y el de hidrógeno tienen una apetencia de electrones aproximadamente igual. No hay acumulación de cargas ni a un lado ni al otro y, por consiguiente, la molécula no es "pegajosa".
Supongamos ahora que tenemos moléculas de agua en un espacio muy limitado, un tubo de vidrio muy fino, pongamos por caso. En estas condiciones tendrán que apelotonarse unas contra otras más de lo normal. El átomo de oxígeno de una de las moléculas se verá empujado muy cerca del átomo de hidrógeno del vecino, tanto, que el enlace de hidrógeno se hará tan fuerte como un enlace ordinario. Las dos moléculas se convierten en una, y a esta doble molécula se podrá enganchar otra, y luego otra, etc.
Al final habrá multitud de moléculas fuertemente, unidas entre sí, con todos los hidrógenos y oxígenos formando hexágonos regulares. La sustancia múltiple resultante es un ejemplo de "polímero". Es "agua polimerizada", o "poliagua" en abreviatura. Para poder romper esta sustancia (anunciada por vez primera por químicos soviéticos en 1965) en moléculas H 2 O de vapor de agua, hay que calentarla hasta 500° C. Y debido también a que las moléculas están aquí mucho más apelotonadas que en el agua ordinaria, la poliagua tiene una densidad 1,5 veces superior a la del agua normal.
Sin embargo, la noción de poliagua no ha sido aceptada universalmente. Muchos químicos piensan que lo que se ha llamado poliagua es en realidad agua que ha cogido impurezas o que ha disuelto un poco de vidrio. En este caso puede ser que la poliagua ni siquiera exista. que la poliagua ni siquiera exista.
Bueno, eso fue todo por ahora, disculpen si no lo hice más antes pero no tenía ganas o en su defecto tiempo
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Saludos y comenten.