"Sólo sé que no sé nada" Sócrates. Aprende a interrogar razonablemente, a escuchar con atención, a responder serenamente y a callar cuando no tengas nada que decir. Cuando esto aprendas estarás andando por la senda de la sabiduría.

martes, 17 de noviembre de 2015

QUIMICA: ELEMENTOS

METALES Y NO METALES
INTRODUCCIÓN
Toda la materia está formada a partir de átomos, unidades elementales que existen en un número limitado. Los átomos no pueden ser divididos en partes más sencillas mediante los métodos físicos o químicos usuales. en la naturaleza existe 92 elementos químicos, aunque se han creado unos 20 elementos más mediante reacciones nucleares. los elementos químicos fueron clasificados por primera vez por Mendelejev siguiendo unas pautas determinadas.
Estos elementos están divididos en tres categorías: metales, no metales y metaloides 

De los 112 elementos que se conocen, sólo 25 son no metálicos; su química a diferencia de los no metales, es muy diversa, a pesar de que representa un número muy reducido, la mayoría de ellos son esenciales para los sistemas biológicos (O, C, H, N, P y S). En el grupo de los no metales se incluyen los menos reactivos: los gases nobles. Las propiedades únicas del H lo apartan del resto de los elementos en la tabla periódica.
Los metales en su mayoría provienen de los minerales. Los metales más abundantes en la corteza terrestre que existen en forma mineral son: aluminio, hierro, calcio, magnesio, sodio, potasio, titanio, y manganeso. El agua de mar es una rica fuente de iones metálicos como Na+, Mg+ y Ca+. La obtención del elemento puro como el hierro, aluminio, entre otros se logra mediante procesos metalúrgicos.
METALES Y NO METALES
Metales
La mayoría de los elementos metálicos presenta lustre brillante. Los metales conducen el calor y la electricidad, son maleables (se pueden golpear para formar láminas delgadas) y dúctiles (se pueden estirar para formar alambres). Todos son sólidos a temperatura ambiente con excepción del mercurio (punto de fusión =-39 ºC), que es un líquido. Dos metales se funden ligeramente por encima de la temperatura ambiente: el cesio a 28.4 ºC y el galio a 29.8 ºC. Por otra parte, muchos metales se funden a temperaturas muy altas. Por ejemplo, el cromo se funde a 1900 ºC.
Los metales tienden a tener energías de ionización bajas y por tanto se oxidan (pierden electrones) cuando sufren reacciones químicas. Los metales comunes tienen una relativa facilidad de oxidación. Muchos metales se oxidan con diversas sustancias comunes.
Se utilizan con fines estructurales, fabricación de recipientes, conducción del calor y la electricidad. Muchos de los iones metálicos cumplen funciones biológicas importantes: hierro, calcio, magnesio, sodio, potasio, cobre, manganeso, cinc, cobalto, molibdeno, cromo, estaño, vanadio, níquel y otros.
NO METALES
Los no metales varían mucho en su apariencia no son lustrosos y por lo general son malos conductores del calor y la electricidad. Sus puntos de fusión son más bajos que los de los metales (aunque el diamante, una forma de carbono, se funde a 3570 ºC). Varios no metales existen en condiciones ordinarias como moléculas diatómicas. En esta lista están incluidos cinco gases (H2, N2, 02, F2 y C12), un líquido (Br2) y un sólido volátil (I2). El resto de los no metales son sólidos que pueden ser duros como el diamante o blandos como el azufre. Al contrario de los metales, son muy frágiles y no pueden estirarse en hilos ni en láminas. Se encuentran en los tres estados de la materia a temperatura ambiente: son gases (como el oxígeno), líquidos (bromo) y sólidos (como el carbono). No tienen brillo metálico y no reflejan la luz. Muchos no metales se encuentran en todos los seres vivos: carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre en cantidades importantes. Otros son oligoelementos: flúor, silicio, arsénico, yodo, cloro.
Comparación DE LOS METALES Y NO METALES
Metales
no metales
Tienen un lustre brillante; diversos colores, pero casi todos son plateados.
Los sólidos son maleables y dúctiles
Buenos conductores del calor y la electricidad
Casi todos los óxidos metálicos son sólidos iónicos básicos.
Tienden a formar cationes en solución acuosa.
Las capas externas contienen poco electrones habitualmente trss o menos.
No tienen lustre; diversos colores.
Los sólidos suelen ser quebradizos; algunos duros y otros blandos.
Malos conductores del calor y la electricidad
La mayor parte de los óxidos no metálicos son sustancias moleculares que forman soluciones ácidas
Tienden a formar aniones u oxianiones en solución acuosa.
Las capas externas contienen cuatro o más electrones*.
Excepto hidrógeno y helio

LOCALIZACIÓN EN LA TABLA PERIÓDICA

Metales

Corresponde a los elementos situados a la izquierda y centro de la Tabla Periódica (Grupos 1 (excepto hidrógeno) al 12, y en los siguientes se sigue una línea quebrada que, aproximadamente, pasa por encima de Aluminio (Grupo 13), Germanio (Grupo 14), Antimonio (Grupo 15) y Polonio (Grupo 16) de forma que al descender aumenta en estos grupos el carácter metálico).

No Metales

Los no metales son los elementos situados a la derecha en la Tabla Periódica por encima de la línea quebrada de los grupos 14 a 17 y son tan solo 25 elementos. (Incluyendo el Hidrógeno). Colocados en orden creciente de número atómico, los elementos pueden agruparse, por el parecido de sus propiedades, en 18 familias o grupos (columnas verticales). Desde el punto de vista electrónico, los elementos de una familia poseen la misma configuración electrónica en la última capa, aunque difieren en el número de capas (periodos). Los grupos o familias son 18 y se corresponden con las columnas de la Tabla Periódica.

ESTADO FÍSICO DE LOS NO METALES MÁS IMPORTANTES

Hidrógeno

Es un gas incoloro, inodoro e insípido. Poco soluble en agua (2,5 volúmenes/%): la molécula de hidrógeno es muy apolar. Se absorbe muy bien por los metales: el paladio absorbe hasta 850 veces su volumen de hidrógeno. El hidrógeno gas difunde fácilmente a través de los metales y del cuarzo. Es relativamente inerte, pero con un ligero aporte energético se disocia y el hidrógeno monoatómico resultante es muy reactivo: con el oxígeno lo hace de forma explosiva y llama azul pálida. Reacciona con otros muchos elementos: metales alcalinos, alcalinotérreos (excepto berilio), algunos metales del grupo d para formar hidruros metálicos; con los del grupo del nitrógeno forma amoníaco, fosfina; con los halógenos forma los halogenuros de hidrógeno.

Carbono

El carbono es un no metal inodoro e insípido, Es insoluble en la mayoría de los disolventes. Se encuentra en la naturaleza en cuatro formas alotrópicas: nanotubos, fullerenos, grafito y diamante.

El diamante es uno de los materiales más duros (10 en la escala de Mohs), aunque es quebradizo. Es incoloro. Su conductividad térmica es alta. No conduce la corriente. Es insoluble en disolventes líquidos.

El grafito es muy blando y quebradizo, de tacto resbaladizo. Su color va del gris mate al acerado. Es la forma más abundante. Es insoluble en disolventes líquidos.
Los fullerenos son nuevas formas sólidas de un número finito de átomos de carbono. Realmente es la única forma de carbono puro.
Los nanotubos son materiales frágiles, dependiendo de la estructura unos pueden conducir la corriente como los metales y otros no; semiconductor o metal según la geometría. Tienen un alta conductividad térmica a lo largo del tubo y muy baja en dirección perpendicular.

Nitrógeno
A temperatura ambiente, es un gas incoloro, inodoro e insípido, no combustible, diamagnético, en estado líquido también es incoloro e inodoro y se parece al agua. El nitrógeno sólido es incoloro y presenta dos formas alotrópicas.

Fósforo
Hay por lo menos 6 clases de fósforo (alótropos); los más importantes son: blanco (o amarillo), rojo, negro y violeta.
El fósforo ordinario es un sólido blanco céreo; cuando es puro es incoloro y transparente. En corte reciente parece amarillento. Es insoluble en agua y soluble en disulfuro de carbono. Arde espontáneamente en el aire con llama blanco-amarillenta, produciendo vapores blancos de pentaóxido de difósforo (P2O5).

El fósforo blanco es un aislante. Brilla en la oscuridad al aire debido a la transformación del P2O3 de su superficie en P2O5, más estable.

El fósforo rojo, es insoluble en agua. Por encima de 700ºC aparece la forma P2, es muy venenoso.

El fósforo violeta (color rojo-violeta) no es una forma importante. Tiene una estructura en capas. No es venenoso.

El fósforo negro tiene un color gris oscuro con brillo metálico. Es escamoso como el grafito y, como éste, conduce la corriente y el calor.

Oxigeno
El oxígeno es el elemento más abundante de la corteza: 50,3% en peso (incluyendo agua y atmósfera). El O2 es la forma alotrópica más abundante del oxígeno. El oxígeno es incoloro, inodoro e insípido. En estado líquido y sólido es azul pálido y fuertemente paramagnético. La solubilidad en agua disminuye con el aumento de la temperatura.

El ozono (O3) (la otra forma alotrópica del oxígeno). Es un gas diamagnético azulado, de olor característico (el que se percibe después de las tormentas con importante aparato eléctrico). Es débilmente soluble en agua. En estado líquido es azul oscuro y en estado sólido es violeta oscuro.

Azufre
El azufre es un sólido amarillo pálido, inodoro, frágil, insoluble en agua y soluble en disulfuro de carbono. En todos los estados, el azufre elemental se presenta en varias formas alotrópicas o modificaciones; éstas presentan una multitud de formas confusas cuyas relaciones no están todavía completamente aclaradas.
La flor de azufre es un polvo fino amarillo que se forma en las superficies frías en contacto con vapor de azufre. El azufre es un mal conductor del calor y de la electricidad.

Flúor

Es un gas corrosivo amarillo claro (incoloro en finas capas), venenoso y de olor penetrante. Es inflamable y el fuego no hay forma de apagarse. El flúor es el más electronegativo y reactivo de todos los elementos. Si están finamente divididos, metales, vidrios, cerámicas, carbono e incluso agua y amoníaco, arden con el flúor con llama brillante. Con sustancias orgánicas las reacciones son muy violentas.

Cloro

Es un gas amarillo-verdoso de olor asfixiante, muy tóxico. Es muy activo y reacciona directamente con la mayoría de los elementos (excepto nitrógeno, oxígeno y carbono). En algunos casos (hidrógeno) la reacción es lenta en la oscuridad o a temperatura ambiente, pero en presencia de luz (reacción fotoquímica) o por encima de 250 ºC se da de modo explosivo. Húmedo ataca a todos los metales (excepto tántalo) dando cloruros. Sustituye fácilmente al hidrógeno en las combinaciones hidrocarbonadas mediante reacciones muy vigorosas. Es soluble en agua.

Bromo

Es el único no metal líquido. De color rojo oscuro, pesado (cinco veces más denso que el aire), fluido, que se volatiliza fácilmente a temperatura ambiente, produciendo un vapor rojo de olor muy desagradable, que asemeja al cloro.

En estado sólido es rojo oscuro, y al disminuir la temperatura su color se va aclarando hasta anaranjado rojizo. En estado gaseoso es color naranja a marrón oscuro, persistiendo las moléculas diatómicas hasta los 1500ºC.

Yodo

Es un sólido cristalino, escamoso, de color negro violeta, de brillo metálico, que sublima a temperatura ambiente a gas azul-violeta con olor irritante. El iodo presenta algunas propiedades metálicas. Forma compuestos con muchos elementos (excepto gases nobles, azufre y selenio), aunque es menos activo que los otros halógenos, que lo desplazan de los yoduros. Es un oxidante moderado. En estado líquido es marrón.

ELECTRONEGATIVIDAD, VALENCIA, TIPO DE ENLACE DE LOS NO METALES EN FUNCIÓN DE SU CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA
Elemento
Electronegatividad
Valencia
Tipo de enlace según su configuración electrónica
Hidrógeno (H)
2.1
1
1s1 Enlace covalente e iónico
Carbono (C)
2.5
2-4
1s22s2p2 Enlace covalente
Nitrógeno (N)
3
3-5
1s22s2p3 Enlace covalente
Fósforo (P)
2.1
3-5
1s22s2p63s2p3 Enlace covalente
Oxígeno (O)
3.5
2
1s22s2p4 Enlace covalente
Azufre (S)
2.5
2-4-6
1s22s2p63s2p4 Enlace covalente
Selenio (Se)
2.4
2-4-6
1s22s2p63s2p6d104s2p4
Enlace covalente
Flúor (F)
4
1
1s22s2p5 , Enlace covalente
Cloro (Cl)
3
1-3-5-7
1s22s2p63s2p5 Enlace covalente
Bromo (Br)
2.8
1-3-5-7
1s22s2p63s2p6d104s2p5 Enlace covalente
Yodo (I)
2.5
1-3-5-7
1s22s2p63s2p6d104s2p6d105s2p5
Enlace covalente
Helio (He) *
-
0
1s2 No hay enlace
Neón (Ne) *
-
0
1s22s2p6 No hay enlace
Argón (Ar) *
-
0
1s22s2p63s2p6 No hay enlace
Criptón (Kr) *
-
0
1s22s2p63s2p6d104s2p6 No hay enlace
Xenón (Xe) *
-
0
1s22s2p63s2p6d104s2p6d105s2p6
No hay enlace
Radón (Rn) *
-
0
1s22s2p63s2p6d104s2p6d10f145s2p6d106s2p6
No hay enlace
*Gases nobles, no se incluye en la escala de electronegatividad.
Configuración electrónica:
 7º nivel   
6º nivel
5º nivel
4º nivel
3º nivel
2º nivel
1º nivel
 Cloro: con 17 electrones,   
  17Cl: 1 s2   2 s2   2 p6   3 s2   3 p5
1º nivel: 2 electrones     2º nivel: 8 electrones
  3º nivel: 7 electrones
REACCIÓN DE LOS METALES Y SUS COMPUESTOS MÁS IMPORTANTES
Algunas reacciones de los metales del grupo IA
Reacción
Notas
4M + O2 2M2O
O2 limitado
4Li + O2 2Li2O
Exceso de O2 (oxido de litio)
2Na + O2 Na2O2
(peróxido de sodio)
M + O2 MO2
M = K, Rb, Cs; exceso de O2 Superóxidos)
2M + H2 2MH
Metales fundidos
6Li + N2 2Li3N
A alta temperatura
2M + X2 2MX
X = halógeno (grupo VII A)
2M + S M2S
También con Se, Te, del grupo VI A
12M + P4 4M3P
También con As, Sb, del grupo VA
2M + 2H2O 2MOH + H2
K, Rb y Cs reaccionan exploxivamente
2M + 2NH3 2MNH2 + H2
Con NH3(l) en presencia de catalizador; con NH3(g) a alta temperatura (las disoluciones también contienen M+ + e- solvatados)
El sodio (Na):
Oxido de Sodio:
4Na + O2 2Na2O
Peróxido de sodio:
2Na(s) + O2 (g) Na2O2(s)
Hidruro de sodio:
2Na + H2 2NaH
Cloruro de sodio:
2Na + Cl2 2NaCl
Sulfuro de sodio:
2Na + S Na2S
Fosfuro de sodio:
12Na + P4 4Na3P
Hidróxido de sodio:
2Na + 2H2O 2NaOH + H2
Amina de sodio:
2Na + 2NH3 2NaNH2 + H2
Compuestos más importantes:
Sodio (Na):
NaCl La sal común (alimentación, y materia prima para obtener sodio y el resto de los compuestos), el Na2CO3 (base), NaHCO3 (base, alimentación), NaOH (base fuerte, usada en la fabricación de jabones, colorantes, celulosa, detergentes, seda artificial, industria del vidrio), nitrato de chile (NaNO3) (fertilizante nitrogenado), fosfatos di y trisódicos (Na2HPO4 y Na3PO4) (abonos), tiosulfato sódico (Na2S2O3.5H2O) (blanqueante, fotografía) y bórax (Na2B4O7.10H2O) (blanqueo), peróxido de sodio (Na2O2) (detergentes y blanqueantes).
Litio (Li):
LiCl (cloruro de litio) es uno de los materiales más higroscópicos que se conocen y, junto con el LiBr (bromuro de litio) se emplea en sistemas de aire acondicionado y desecadores, el LiI (yoduro de litio) preparado con 6-Li sirve de detector de neutrones según la reacción anterior, el estearato de litio se emplea como lubricante de altas temperaturas.el peróxido se emplea en aparatos respiratorios de ciclo cerrado.el LiH (hidruro de litio) es un combustible de cohetes el LiClO4 (perclorato de litio) se emplea como portador de oxígeno en combustibles de cohetes, el LiOH (hidróxido de litio) es una base fuerte que se utiliza para purificar el aire (submarinos, etc.) ya que 1 gramo de hidróxido consume 0,51 gramos de CO2, el LiCO3 (carbonato de litio) en pequeñas dosis parece efectivo en el tratamiento de síndromes maniacodepresivos.
Potasio (K):
KNO3 (nitrato de sodio) comúnmente conocido como nitro o salitre, se usa como fertilizante potásico y nitrogenado. Entre sus aplicaciones (en muchas puede ser sustituido por sodio más barato y abundante).
Algunas reacciones de los metales del grupo IIA:
Reacción
Notas
2M + O2 2MO
Muy exotermico (excepto Be)
Ba + O2 BaO2
Casi exclusivamente
M + H2 MH2
M = Ca, Sr, Ba, a altas temperaturas
3M + N2 M3N2
A altas temperaturas
6M + P4 2M3P2
A altas temperaturas
+ X2 MX2
X = halógeno (grupo VII A)
M + S MS
También con Se, Te, del grupo VI A
M + 2H2O M(OH) 2 + H2
M = Ca, Sr, Ba, a 25ºC Mg da MgO a altas temperaturas
M + 2NH3 2M(NH2) 2 + H2
M = Ca, Sr, Ba, en NH3(l) en presencia de catalizador; NH3(g) con calor.
3M + 2NH3(g) M3N2 + 3H2
A altas temperaturas
Be + 2OH-+ 2H2O Be(OH) 2-4+ H2
Sólo con Be


Compuestos más importantes:

Calcio (Ca):

CaO, (óxido de calcio) la cal, utilizada en la obtención del cemento, metalurgia (hierro), Ca(OH)2 (hidróxido de calcio) cal apagada, base barata con incontables usos, CaSO4 (sulfato de calcio) Su forma hidratada (CaSO4.2H2O) es el yeso, el carburo de calcio CaC2 empleado en la fabricación de acetileno, cianamida y desazufrado del acero; la cianamida Ca(CN)2 es un fertilizante nitrogenado, CaCl2 cloruro de calcio, muy higroscópico, empleado en mezclas frigoríficas, desecante, aglomerante de arena, aditivo de cemento, hidroxiapatito (Ca5(PO4)3OH, esmalte de los dientes.

Magnesio:

Mg(OH)2 (hidróxido de magnesio) leche de magnesia; antiácido estomacal y laxante, MgCl2 (cloruro de magnesio) fundido, es buen conductor de la corriente, MgSO4 (sulfato de magnesio) se emplea en la industria textil, papelera, como laxante y como abono. MgCO3 (magnesita) obtención de aislantes, vidrios y cerámica.

Bario:

BaSO4 (Sulfato de Bario) Se usa en pinturas (blanco permanente), goma, papel, cristal. Perforación de petróleo y gas, Ba(OH)2 (hidróxido de Bario) y BaO2 (óxido de bario) se emplea como desecante.
El BaCO3 (carbonato de bario) se ha usado como raticida El nitrato y clorato para dar colores en pirotecnia.
METALURGÍA DEL HIERRO


Metalurgia

La metalurgia es la ciencia y la tecnología de la extracción de metales de sus fuentes naturales y de su preparación para usos prácticos. La metalurgia implica varios pasos: (1) explotación de las minas, (2) concentración de la mena o su preparación por algún otro medio para el tratamiento posterior, (3) reducción del mineral para obtener el metal libre, (4) refinación o purificación del metal, y (5) mezclado del metal con otros elementos para modificar sus propiedades. Este último proceso produce una aleación, es decir, un material metálico compuesto de dos o más elementos.

Después de su extracción de la mina, por lo general la mena se tritura, se muele y luego se trata para concentrar el metal deseado. La etapa de concentración se apoya en las diferencias de propiedades entre el mineral y el material indeseable que lo acompaña, que se conoce como ganga. Por ejemplo, los gambusinos buscadores de oro usaban una batea para enjuagar la ganga y separarla de las pepitas de oro, más densas. Otro ejemplo es la magnetita, un mineral de hierro que se puede concentrar moviendo la mena finamente molida sobre una banda transportadora que pasa por una serie de imanes. El mineral de hierro es magnético (es atraído por un imán), no así la ganga que lo acompaña.


Pirometalurgia del hierro


La operación pirometalúrgica más importante es la reducción del hierro. Éste está presente en muchos minerales, pero las fuentes más importantes son los minerales de óxidos de hierro: hematita, Fe203. y magnetita, Fe304. La reducción de estos óxidos se lleva a cabo en un alto horno como el que se ilustra en la figura. Un alto horno es un reactor químico muy grande capaz de operar de manera continua. Los hornos mayores tienen más de 60 m de altura y 14 m de ancho. Cuando operan a plena capacidad, producen hasta 10,000 toneladas de hierro al día. El alto horno se carga por la parte superior con una mezcla de mena de hierro, coque y piedra caliza. El coque es hulla que ha sido calentada en ausencia de aire para expulsar los componentes volátiles; contiene alrededor de 85 a 90 por ciento de carbono. El coque sirve como combustible que produce calor a medida que se quema en la parte baja del horno. Este material es también la fuente de los gases reductores CO y H2. La piedra caliza, CaC03, sirve como fuente del óxido básico en la formación de escoria. El aire, que entra en el alto horno por el fondo después de un precalentamiento, es también una materia prima importante, pues se requiere para la combustión del coque. La producción de 1 Kg. de hierro crudo, llamado hierro de arrabio, requiere aproximadamente 2 Kg. de mena, 1 Kg. de coque, 0.3 Kg. de piedra caliza y 1.5 Kg. de aire.


En el horno, el oxígeno reacciona con el carbono del coque para formar monóxido de carbono:


2C(s) + 02 (g) 2CO(g) D H = -221 kJ


El vapor de agua presente en el aire también reacciona con el carbono:


C(s) + H2O(g) CO(g) + H2(g) D H = + 131 kJ


Observe que la reacción del coque con el oxígeno es exotérmica y suministra calor para la operación del horno, pero su reacción con el vapor de agua es endotérmica. Por tanto, la adición de vapor de agua al aire proporciona un medio para controlar la temperatura del horno.


En la parte superior del horno, la piedra caliza se calcina (Ec. 22.98). También en este caso el CO y el H2 reducen los óxidos de hierro. Por ejemplo, las reacciones importantes del Fe304 son:


Fe304(S) + 4CO(g) 3Fe(S) + 4CO2 (g) D H = -15 KJ


Fe304(S) + 4H2(g) 3Fe(S) + 4H20(g) D H = + 150 KJ


También se produce la reducción de otros elementos presentes en la mena en las partes más calientes del horno, donde el carbono es el agente reductor principal.


El hierro fundido se recoge en la base del horno, como se muestra en la figura. Por arriba de él hay una capa de escoria fundida formada por la reacción del Ca0 con el silice presente en la mena, La capa de escoria sobre el hierro fundido ayuda a protegerlo de la reacción con el aire que entra. Periódicamente, el horno se vacía para drenar la escoria y el hierro fundido. El hierro producido en el horno se puede moldear en lingotes sólidos; sin embargo, casi todo se usa directamente para fabricar acero. Para este propósito, el hierro se transporta, todavía líquido, al taller siderúrgico.


CONCLUSIÓN

La clasificación más fundamental de los elementos químicos es en metales y no metales.

La mayoria de los elementos se clasifican como metales. Los metales se encuentran del lado izquierdo y al centro de la tabla periodica. Los no metales, que son relativamente pocos, se encuentran el extremo superior derecho de dicha tabla.

Los metales se caracterizan por ser buenos conductores del calor y la electricidad, mientras los no metales carecen de esa propiedad. Los no metales forman enlacen covalentes, con excepción del hidrógeno que puede formar enlace covalente e iónico.

Una parte importante de la metalurgia es la producción de metales a partir de sus memas, y consta de tres etapas tratamiento preliminar, reducción y refinado.

Los elementos químicos metálicos y no metálicos son son los constituyentes básicos de la vida del humano.

Los cuatro elementos químicos más abundantes en el cuerpo humano son el oxígeno, el carbono, el hidrógeno y el nitrógeno, que constituyen el 96% de la masa corporal. Además del calcio (2%), elementos como el fósforo, el potasio, el azufre y el sodio, entre otros, forman también parte del cuerpo humano, aunque en un porcentaje mucho menor.

La corteza terrestre está compuesta en su mayor parte por oxígeno y silicio. Estos elementos químicos, junto con el aluminio, el hierro, el calcio, el sodio, el potasio y el magnesio, constituyen el 98,5% de la corteza terrestre.

CAMBIOS TERRESTRES: OJEADAS RÁPIDAS A NOTICIAS 2015.



1.- 

Glaciares
Los glaciares del norte de Groenlandia están cambiando rápidamente. La forma y la dinámica de Zachariae Isstrom ha cambiado dramáticamente en los últimos años. El glaciar se está rompiendo y arrojando altos volúmenes de icebergs en el océano, lo que redundará en el aumento del nivel del mar en las próximas décadas.
La parte inferior de Zachariae Isstrom se está erosionando rápidamente por el agua del océano más caliente mezclada con cantidades crecientes de agua de deshielo de la superficie de la capa de hielo. El calentamiento del océano probablemente ha jugado un papel importante en el desencadenamiento de la retirada del glaciar, pero se necesitan más observaciones oceanográficas en ese sector crítico de Groenlandia para determinar su futuro.
Zachariae Isstrom está siendo golpeado por encima y por debajo. La parte superior del glaciar se está derritiendo como resultado de décadas de constante aumento la temperatura del aire, mientras que su parte inferior se ve comprometida por las corrientes que llevan agua del océano más cálido y el glaciar se está rompiendo en pedazos y retrayéndose hacia suelo más profundo.
Nioghalvfjerdsfjorden, también se está derritiendo rápidamente, pero está retrocediendo a un ritmo más lento porque está protegido por una colina hacia el interior. Los dos glaciares representan el 12 por ciento de la capa de hielo de Groenlandia y aumentarían los niveles globales del mar en más de 39 pulgadas (casi un metro) si se derrumban totalmente.
Mayores detalles de este cambio veálos en


2.- SUELOS
Expertos de la FAO reunidos en Roma instaron a conservar la materia orgánica del suelo, ya que el almacenamiento de carbono en la biomasa ayuda a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y a mitigar el cambio climático.
El sumidero de dióxido de carbono es el proceso para remover los gases de efecto invernadero de la atmósfera almacenándolos en reservas terrestres y ecosistemas acuáticos.
En una conferencia en la Organización de la ONU para la Alimentación y la Agricultura (FAO) con motivo del Año Internacional de los Suelos, el experto de esa agencia Roland Vargas insistió en que “los organismos del suelo son vitales para el mantenimiento de la estructura del suelo y el secuestro de carbono”, entre otras funciones.
Valoró que para la próxima Cumbre del Clima de París, prevista para finales de este mes, la comunidad internacional “se ha dado cuenta de la importancia que tiene (para el cambio climático) la materia orgánica del suelo”.
Según la FAO, se estima que los suelos son capaces de secuestrar en 25 años más del 10 % de las emisiones de CO2 resultantes de la actividad humana.
Solo un 5 % de los suelos está compuesto de materia orgánica, si bien esta es fundamental con vistas a garantizar el sustento para los microorganismos.
La vicepresidenta de la Sociedad italiana de Ciencias del Suelo, Anna Benedetti, recordó que muchas de estas especies todavía no han sido identificadas, como tampoco se conocen las relaciones que guardan entre ellas y que influyen en el funcionamiento de los suelos, que se calcula que alberga un cuarto de la biodiversidad del planeta.
Vargas remarcó que los cambios en el uso de las tierras pueden reducir los microorganismos y alterar los ciclos y funciones del suelo.
La degradación afecta a un tercio de las tierras, sobre todo como consecuencia de prácticas agrícolas insostenibles, entre las que citó la contaminación del suelo o el excesivo uso de químicos.
“Antes de tomar cualquier decisión, debemos entender cuál es el estado de los suelos”, sostuvo Vargas, que llamó a aumentar el contenido de la materia orgánica mediante acciones como mantener el suelo con plantas, extender el uso de nutrientes, promover la rotación de cultivos y reducir la erosión. 


4.- Gases de efecto invernadero 


5.- Subsuelo


6.- Sismos

lunes, 16 de noviembre de 2015

ESTUDIOS DE LA NATURALEZA: MÁQUINAS

MAQUINAS

Desde la antigüedad, los hombres han inventado herramientas para hacer más facil el trabajo y ahorrar esfuerzos.
Han ido configurando máquinas para realizar trabajos con mayor eficiencia y menor esfuerzo, siendo cada vez mas complicadas y perfectas, como el motor de un automóvil, una lavadora, una licuadora, aunque puede ser un mecanismo mucho mas simple.

LAS MÁQUINAS SIMPLES

Toda máquina, más o menos complicada, está formada por piezas más sencillas que son máquinas simples. Para comprender el funcionamiento de las máquinas, se requiere de nociones de lo que es una fuerza.

LA FUERZA
Es toda causa capaz de alterar el estado de reposo o de movimiento en que se encuentra un cuerpo, o de producir deformación en el. Una fuerza puede mover un objeto que estaba en reposo; detenerle el movimiento o  cambiarle la forma.

ELEMENTOS DE LA FUERZA
 Cuando un cuerpo esta sometido a la acción de una fuerza, sobre el actúan cuatro elementos, estos son:
Magnitud: consiste en el mayor o menor grado de fuerza aplicada para producir un cambio de forma o movimiento. También es conocida como la intensidad; representa la cantidad de fuerza aplicada sobre el objeto.
Dirección: establece la orientación o trayectoria en que se mueve el cuerpo por efecto o aplicación de la fuerza, según los puntos cardinales.
Sentido: indica hacia donde se aplica la fuerza, para cada dirección hay siempre dos sentidos, de los cuales se toma como positivas las fuerzas que actúan en un sentido y negativas las que actúan en sentido opuesto al positivo.
Punto de aplicación: es la zona, lugar, sitio o punto donde se ejerce o aplica la fuerza al objeto.
Todos estos elementos caracterizan la fuerza como una magnitud vectorial por lo cual la representación grafica de la fuerza se realiza por medio de flechas llamadas vectores.
CLASES DE FUERZAS
Según sea el modo como se ejercen, se pueden definir dos clases de fuerzas:
Fuerza de contacto: son aquellas en las que el cuerpo que ejerce la fuerza esta en contacto directo con el cuerpo sobre el cual se aplica dicha fuerza.

Fuerza a distancia: son aquellas en las que el cuerpo ejerce la fuerza no esta en contacto directo con el cuerpo sobre el que se aplica dicha fuerza.
La fuerza se representa también por la expresión matemática:

F = m x a

Donde:
F = Fuerza
m = Masa
a = Aceleración o gravedad

Esta expresión matemática nos permite determinar la fuerza aplicada a un cuerpo.

EQUILIBRIO
Es importante tomar en consideración que el producto de dos fuerzas que se anulan o se destruyen, que son iguales en magnitud pero no tienen sentido contrario, producen el equilibrio de un cuerpo. Si el cuerpo esta en reposo se denomina equilibrio estático, pero si esta en movimiento se denomina equilibrio mecánico o dinámico.
Cuando un cuerpo esta en equilibrio no siempre tiene el mismo estado, por lo cual se señalan los diferentes equilibrios:
Equilibrio inestable: Si desplazamos ligeramente un objeto dejara de estar en posición de equilibrio.
Equilibrio estable: Si movemos el objeto siempre retornara a su posición de estabilidad o posición inicial.
Equilibrio indiferente: Si movemos el objeto seguirá estando en equilibrio, sea estático (reposo) o dinámico (movimiento).

TRABAJO MECÁNICO

Cuando la fuerza actúa directamente sobre un cuerpo, ocasiona la deformación o movimiento del mismo. Se dice entonces que la fuerza ha realizado un trabajo sobre el cuerpo; esto sucede por ejemplo al elevar un objeto de la superficie de la tierra; en este caso, se mueve el objeto en sentido contrario al de la gravedad que actúa sobre el, siendo esta fuerza llamada resistencia y la aplicada para elevar el objeto es la potencia. Si el punto no se desplaza se dice que se ha efectuado una presión o esfuerzo, pero no un trabajo.
Para aplicar la definición de trabajo, es importante conocer la formula matemática de trabajo, esta es:

T = F x d

Donde:
T = Trabajo
F = Fuerza
d = Desplazamiento

ENERGÍA

Se define como la capacidad que poseen los cuerpos para efectuar un trabajo.

LAS MÁQUINAS

Son dispositivos, instrumentos, aparatos o sistemas, que favorecen la utilización de las fuerzas, que se emplean para facilitar la realización del trabajo.
CLASES DE MÁQUINAS
La máquina simple es un artefacto mecánico que transforma un movimiento en otro diferente, valiéndose de la fuerza recibida para generar otra de magnitud, dirección o longitud de desplazamiento distintos a la de la acción aplicada.
Según su complejidad, de uno o más puntos de apoyo, las maquinas se clasifican en dos grupos:
Máquinas simples:
son maquinas que poseen un solo punto de apoyo, las maquinas simples varían según la ubicación de su punto de apoyo.
Máquinas compuestas:
son maquinas que están conformadas por dos o más maquinas simples.

ELEMENTOS DE UNA MÁQUINA SIMPLE

Las maquinas emplean en su funcionamiento, tres elementos fundamentales:

Punto de apoyo: es el punto sobre el cual se apoya o se mueve la maquina, también llamado fulcro, punto de eje: superficie sobre la cual se apoyan los dos próximos elementos.
Fuerza motriz o potencia (Fp): es la fuerza que se aplica para hacer funcionar la maquina.
Fuerza de resistencia (Fr): es la fuerza que hay que vencer para mover o deformar un cuerpo.

Otros elementos que deben considerar en el rendimiento de las maquinas son:
La distancia entre el punto en el que se aplica la potencia y el punto en el que se realiza el apoyo.
La distancia entre el punto de apoyo y el punto de aplicación de la resistencia.

CARACTERÍSTICAS DE LAS MÁQUINAS

Todas las maquinas presentan las siguientes características:
Producen la transformación de la energía que reciben-
Utilizan la energía para funcionar.
La energía que reciben para su funcionamiento no es aprovechada completamente, debido a que a que parte de esta se pierde en la fricción o roce.

VENTAJA MECÁNICA DE LAS MÁQUINAS SIMPLES

Se define como ventaja mecánica (VM) de una maquina simple la relación que existe entre la fuerza resistente (Fr) y la fuerza motriz (Fp); dicha relación se expresa matemáticamente así:

VM = F resistente / F motriz

Esta relación mide la eficacia de la maquina simple, en el sentido de que cuanto mayor sea el resultado, mayor será la eficiencia de la maquina simple. Así por ejemplo, una VM = 2, significa que una maquina permite realizar un determinado trabajo con la mitad del esfuerzo requerido si se fuese hacer sin la maquina. Si el resultado o división de la ventaja es menor que uno, entonces la maquina no es eficiente, ya que realiza un mayor esfuerzo para realizar el trabajo.

TIPOS DE MÁQUINAS SIMPLES

Existen diferentes tipos de maquinas simples tales como:

La palanca: es una maquina simple formada por una barra rígida que se apoya en un punto alrededor del cual pueda girar. En otras palabras la palanca es una barra rígida apoyada en un punto sobre la cual se aplica una fuerza en un extremo, para obtener una fuerza mayor en el otro. Las palancas sirven para elevar o desplazar objetos, romper objetos muy duros, impulsar embarcaciones, etc. Algunos ejemplos de palancas son alicates, tijeras, tenazas, carretillas, pinzas.

Elementos de una palanca:

El brazo de potencia: es la distancia que hay entre el punto donde se aplica la fuerza motriz (Fp) y el punto de apoyo (A).El brazo de resistencia: es la distancia que hay entre la fuerza resistente (Fr) y el punto de apoyo (A).
En una máquina simple se cumple la ley de la conservación de la energía: la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. La fuerza aplicada, multiplicada por la distancia aplicada (trabajo aplicado), será igual a la fuerza resultante multiplicada por la distancia resultante (trabajo resultante).
 Una máquina simple, ni crea ni destruye trabajo mecánico, solo transforma algunas de sus características.

Clases de palancas: de acuerdo con la posición de la fuerza motriz (Fp) y de la fuerza resistente (Fr) con respecto al punto de apoyo (A), se consideran tres clases:

Palancas de primer género o ínter-móviles: es aquella en la que el punto de apoyo (A) esta situado entre la potencia o fuerza motriz (Fp) y la fuerza de resistencia (Fr).

Palancas de segundo género o ínter-resistentes: es aquella en la que la resistencia o peso (Fr) del cuerpo esta ubicado entre el punto de apoyo (A) y el punto de aplicación (Fp) de la fuerza.

Palancas de tercer género o Inter-potentes: son las que tienen la fuerza resistente (Fr) entre el punto de apoyo (A) y la fuerza motriz (Fp).

La ley de equilibrio de la palanca: esta ley establece que una palanca esta en equilibrio cuando la fuerza motriz o potencia, multiplicada por el brazo de la potencia, es igual a la fuerza de resistente, multiplicada por el brazo de la resistencia. En otras palabras:

Fp x bp = Fr x br

De esta igualdad podemos deducir que para una fuerza resistente y brazo de resistencia constante, mientras mayor sea el brazo de potencia menor es la fuerza motriz o potencia necesaria para lograr el equilibrio de la palanca.

De la ley del equilibrio de la palanca podemos despejar y obtener las formulas para el cálculo de los distintos elementos que forman dicha ley:

Fp = Fr x br ; bp = Fr x br ; Fr = Fp x bp; br = Fp x bp.

bp Fp br Fr

El plano inclinado: el plano inclinado o rampa es una maquina simple que consiste en una superficie plana, que forma un ángulo con la horizontal. En el caso de los planos inclinados que se apoyan en un piso, dicho piso representa una horizontal. En el plano inclinado es la maquina mas simple que se puede construir y se utiliza para levantar objetos pesados, ya sea deslizándolos o haciéndolos rodar sobre el plano inclinado. En el plano inclinado la fuerza motriz es la fuerza con la cual se hace subir el objeto y la fuerza de resistencia es el peso de dicho objeto. En todo plano inclinado, el producto de la fuerza motriz por la longitud (l) del plano es igual al producto del peso del cuerpo (fuerza de resistencia) por la altura (h) a la cual se sube:

Fm = Fr x h

Por consiguiente para una fuerza de resistencia y una altura constante, se necesita menor fuerza motriz, si la longitud del plano inclinado es mayor.


El tornillo: son maquinas simples que resultan de la aplicación del plano inclinado. Un tornillo es un plano inclinado enroscado en espiral y cada una de las vueltas se llama rosca. Para que un tornillo entre en una superficie como una pared, hay que hacerlo girar muchas veces para avanzar un poco, sin embargo la fuerza que se necesita para dar cada vuelta es menor que la que se necesita para clavar el tornillo sin girarlo.


La cuña: se encuentra constituida por un prisma triangular de acero u otro material consistente y se emplea para dividir un cuerpo en dos partes. En este tipo de maquina el grado de rozamiento es muy importante, ya que el demuestra que las cuñas son mas eficientes al ser mas puntiagudas, es decir, cuanto mas agudo es el ángulo en el vértice.

La polea: consiste en un disco atravesado en el centro por un eje y que en el borde posee un canal o surco por donde pasa una cadena o cuerda. Este objeto es el que le permite que la rueda gire libremente; puede estar fijo a una armadura o moverse conjuntamente con esta. Según esta característica tenemos que las poleas pueden ser divididas en:
TIPOS DE POLEAS
Poleas fijas: tiene por función variar la dirección de la fuerza pero no la intensidad de esta, es decir, con este tipo de maquina obtenemos comodidad para realizar un trabajo, pero no se gana esfuerzo.

Poleas móviles: este tipo de maquinas simples tiene la ventaja de ahorrar esfuerzo, debido a la resistencia del objeto (peso) es repartido entre las dos ramas de la cuerda. Según esto, tenemos que, al momento de tirar del extremo de la cuerda, será aplicada una fuerza que corresponde aproximadamente a la mitad del peso de la carga.

El torno: es un cilindro atravesado por un eje, que se encuentra unido a un soporte o base fija. El eje central esta conectado por uno de sus extremos a un manubrio sobre el que se aplica la potencia (Fp) que hace girar la barra cilíndrica donde se enrolla una cuerda, mecate o cadena que conduce la resistencia (Fr)

En resumen, tenemos que las maquinas simples se organizan de la siguiente manera:

1.- Un punto fijo:
Palanca de primer genero.
Palanca de segundo genero.
Palanca de tercer genero.

2.- Un plano fijo:
Plano inclinado.
Tornillo.
Cuña.

3.- Un eje:
Poleas fijas y móviles.
Torno.
MÁQUINAS COMPUESTAS

Este tipo de maquinas se caracteriza por ser aquellas que resultan del acoplamiento de varias maquinas simples; entre estas tenemos:

1.- Polipastos: consiste en un dispositivo formado por la combinación de varias poleas móviles y fijas. Estas poleas poseen las mismas particularidades que las poleas móviles, con la salvedad que el peso del objeto no quedara repartido entre dos, como en el caso de la polea móvil, sino que quedara repartido entre el número de ramas de cuerda que se conectan entre diversas poleas.
El Engranaje transmite potencia de un componente a otro dentro de una máquina. Los engranajes están formados por dos ruedas dentadas, de las cuales la mayor se denomina corona' y la menor 'piñón'.

2.- Engranajes: son ruedas dentadas en los cuales los dientes de una de ellas penetra en los huecos de la otra y tienen como finalidad transmitir grandes esfuerzos.

Tenemos pues,

Máquinas simples son: la palanca, las poleas, el plano inclinado, la cuña, etc.
No se debe confundir una máquina simple con elementos de máquinas, mecanismos o sistema de control o regulación de otra fuente de energía.
Las máquinas simples se confeccionaron desde tiempos muy remotos, exactamente cuando los Homo sapiens empezaron a inventar herramientas, como las hachas.

Tipos de máquinas simples



En la palanca se cumple que D1 x F1 = D2 x F2
Algunos autores consideran a la cuña y al tornillo como aplicaciones del plano inclinado; otros incluyen a la rueda como una máquina simple; también se considera el eje con ruedas una máquina simple, aunque sea el resultado de juntar otras dos máquinas simples.
La cuña transforma una fuerza vertical en dos horizontales antagonistas. El ángulo de la cuña determina la proporción entre las fuerzas aplicada y resultante, de un modo parecido al plano inclinado.
La palanca es una barra rígida con un punto de apoyo, llamado fulcro, a la que se aplica una fuerza y que, girando sobre el punto de apoyo, vence una resistencia. Se cumple la conservación de la energía y, por lo tanto, la fuerza aplicada por su espacio recorrido ha de ser igual a la fuerza de resistencia por su espacio recorrido.
En el plano inclinado se aplica una fuerza para vencer la resistencia vertical del peso del objeto a levantar. Dada la conservación de la energía, cuando el ángulo del plano inclinado es más pequeño se puede levantar más peso con una misma fuerza aplicada pero, a cambio, la distancia a recorrer será mayor.

La polea simple transforma el sentido de la fuerza; aplicando una fuerza descendente se consigue una fuerza ascendente. El valor de la fuerza aplicada y la resultante son iguales, pero de sentido opuesto. En un polipasto la proporción es distinta, pero se conserva igualmente la energía.
El mecanismo tuerca husillo transforma un movimiento giratorio aplicado a un volante o manilla, en otro rectilíneo en el husillo, mediante un mecanismo de tornillo y tuerca. La fuerza aplicada por la longitud de la circunferencia del volante ha de ser igual a la fuerza resultante por el avance del husillo. Dado el gran desarrollo de la circunferencia y el normalmente pequeño avance del husillo, la relación entre las fuerzas es muy grande.

Todas las máquinas simples convierten una fuerza pequeña en una grande, o viceversa. Algunas convierten también la dirección de la fuerza. La relación entre la intensidad de la fuerza de entrada y la de salida es la ventaja mecánica. Por ejemplo, la ventaja mecánica de una palanca es igual a la relación entre la longitud de sus dos brazos. La ventaja mecánica de un plano inclinado, cuando la fuerza actúa en dirección paralela al plano, es la cosecante del ángulo de inclinación.
A menudo, una máquina consta de dos o más herramientas o artefactos simples, de modo que las máquinas simples se usan habitualmente en una cierta combinación, como componentes de máquinas más complejas. Por ejemplo, en el tornillo de Arquímedes, una bomba hidráulica, el tornillo es un plano inclinado helicoidal.
Plano inclinado
El plano inclinado o rampa es una superficie cuyo declive o pendiente respecto de la horizontal permite elevar o descender objetos haciéndolos rodar.

El Torno

El torno es una máquina simple con forma de cilindro que gira libremente alrededor de su eje con una cuerda o un cable. Se puede accionar con una manivela o un motor.

Tornillo

El tornillo es un trozo de metal con un filete denominado rosca. Si se hace girar esa rosca, el tornillo se introduce en cualquier objeto. Es una máquina simple que se utiliza en la mecánica. Herramientas como el gato del coche o el sacacorchos derivan del funcionamiento del tornillo.

Cuña

La cuña es la unión de dos planos inclinados, solo que ligeramente más afilados, lo que sirven para cortar o rasgar objetos sólidos. Es el caso de hachas o cuchillos.
Polea

La polea

es un dispositivo mecánico de tracción constituido por una rueda acanalada o roldana por donde pasa una cuerda, lo que permite transmitir una fuerza en una dirección diferente a la aplicada. Además, formando aparejos o polispastos de dos o más poleas es posible también aumentar la magnitud de la fuerza transmitida para mover objetos pesados, a cambio de la reducción del desplazamiento producido.