lunes, 13 de junio de 2022

7. Generalidades de los cálculos químicos | ⚗️ Introducción a la química | Joseleg

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Uno de los temas tradicionales de la química lidia con el cálculo de cantidades físicas, que conoceremos como los parámetros, magnitudes o condiciones bajo los cuales se manifiestan las propiedades de un sistema químico. Algunos parámetros son altamente variables y otros son constantes universalmente, así como otros que solo son constante bajo ciertas condiciones especiales.

Unidades y medidas

Para poder identificar los parámetros que condicionan los sistemas, estos deben ser estandarizados a través de un nombre, una unidad estándar, y símbolos para ambos, cuestión con la que lidia el Sistema Internacional de Unidades (Stock, 2018) y el Libro de Oro de la IUPAC (IUPAC, 2020). Con base a estas fuentes se definen siete parámetros fundamentales:

👉 masa medida en kilogramos.

👉 longitud en metros.

👉 cantidad de sustancia en moles.

👉 tiempo en segundos.

👉 temperatura el kelvins.

👉 intensidad luminosa en candelas.

👉 intensidad de corriente en amperios.

A parte de estas siete existen otros parámetros cuyas unidades de medida surgen por combinaciones, o por la falta de unidades, con las cuales podemos crear modelos llamados leyes naturales.

Leyes naturales

Las leyes científicas o leyes de la ciencia son declaraciones, basadas en experimentos u observaciones repetidos, que describen o predicen una variedad de fenómenos naturales.  Por lo general, una ley se puede formular como uno o varios enunciados o ecuaciones, de modo que pueda predecir el resultado de un experimento. Las leyes difieren de las hipótesis y los postulados, que se proponen durante el proceso científico antes y durante la validación mediante experimentación y observación. Las hipótesis y los postulados no son leyes, ya que no han sido verificados en el mismo grado, aunque pueden conducir a la formulación de leyes.

Matemáticamente hablando, las leyes se corporizan en fórmulas matemáticas, las cuales obedecen a funciones como la recta, o la exponencial:

Figura 71. Modelos matemáticos más comunes sobre los cuales se construyen las leyes naturales de la ciencia: (a) modelo lineal simple, (b) modelo lineal inverso, (c) modelo lineal de pendiente negativa, (d) modelo exponencial cuadrático.

Aunque existen leyes que implican funciones matemáticas más complejas, las leyes fundamentales con las que iniciamos la enseñanza de la química son en su gran mayoría lineales, siendo rectas ascendentes que indican una relación de proporcionalidad directa con un intersecto (b) en el origen, como es el caso de la segunda ley de Avogadro V = Vm n, donde V es el volumen de un gas en litros, Vm es una constante que funciona como la pendiente y n es la cantidad de sustancia en moles.

En base a las leyes naturales se pueden plantear ejercicios de lápiz y papel que involucran calcular algún término o parámetro que constituye a la ecuación, conociendo los demás, lo cual involucra la manipulación algebraica.

Diferencia entre problema y ejercicio

Los ejercicios de lápiz y papel que afrontamos en ciencias naturales especialmente en química y en física, pueden ser clasificados en dos categorías diferentes: problemas y ejercicios. Aunque parecen dos categorías exactamente iguales existen diferencias importantes.

Los problemas son situaciones con un alcance general, para estas situaciones no existe un plan estandarizado de la resolución, qué denominamos algoritmo. En otras palabras, son situaciones para las cuales debemos diseñar nuestro propio algoritmo empleando las leyes fundamentales de la física, la química y las matemáticas. También tendremos un problema cuando nos pidan demostrar porque un algoritmo es realmente válido, más allá de una contrastación trivial valores numéricos.

Los químicos tienden a contrastar las leyes, pero no a demostrarlas, lo cual se hace evidente en sus libros de texto, pues nos presentan algoritmos de solución, pero no nos indican porque estos son válidos más allá de darnos ejemplos numéricos donde estos funcionan bien. Por el contrario, los físicos si tienen una tradición de demostrar las leyes empleando, otras leyes previas combinadas ingeniosamente con las leyes del álgebra y las leyes del cálculo, proceso que denominamos demostración matemática.

Por su parte un ejercicio es una situación trivial para la actualidad tenemos un procedimiento estandarizado que se encuentra sumarizado en un algoritmo o en una ecuación despejada, la cual ya está lista para reemplazar y calcular.

Algoritmos químicos

Aunque muchos capítulos de un libro de texto de química emplean ecuaciones, cómo podemos verlo en el capítulo de gases o en el capítulo de cinética química, muchos otros capítulos emplean lo qué se denomina como aritmética y química, la cual se basa en el uso de diagramas de flujo combinados con factores de conversión. Esta tradición se encuentra enraizada en el manejo de proporciones, razones o radios para encontrar relaciones de proporcionalidad químicas, pero genera un contraste con los capítulos que si usan ecuaciones.

En nuestro curso de química trataremos de romper con esta tradición manejando todas las matemáticas con ecuaciones.

Cambios de estado

Algunos parámetros químicos como la masa de una sustancia cambian con el tiempo. Podemos medir el cambio de dos formas, como un cambio de estado discreto o como un cambio de estado infinitesimal. La mayoría de los cambios de estado usados en los capítulos iniciales del curso de química son cambios discretos donde analizamos un momento inicial y un momento final, pero sin que nos importe como se dieron los cambios en medio de esos dos momentos.

Poor el contrario, un cambio de estado infinitesimal o instantáneo debería permitirnos determinar cómo cambia el sistema para cualquier rango de tiempo.

Cambio de identidad

En química, a diferencia de la física, no tenemos únicamente cambios de estado, también tenemos transformaciones químicas que llevan al cambio en la identidad de la sustancia, por lo que la masa de una sustancia A se convierte en una masa de otra sustancia llamada B.

 


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