Quimicofísica/Introducción

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Comenzaremos definiendo que es la Química Física. Gilbert Newton Lewis, uno de los grandes Químicofíscos, padre de la termoquímica, definió esta disciplina mediante la expresión "La Química Física es cualquier cosa interesante". Realmente es difícil dar una definición concisa y a la vez completa de esta disciplina cuya presencia en las otras ramas de la química es cada vez mayor. Ira N. Levine, define la Química Física como El estudio de los principios físicos fundamentales que gobiernan las propiedades y el comportamiento de los sistemas químicos.

Los sistemas químicos pueden estudiarse desde dos puntos de vista: el punto de vista microscópico que se basa en el estudio de los sistemas como conjunto de moléculas, y el macroscópico, que estudia los sistemas a gran escala sin utilizar explicitamente el concepto de molécula.

La química física se divide habitualmente en cuatro subdisciplinas: Termodinámica, Química Cuántica, Mecánica Estadística, y Cinética.

La termodinámica es la rama de la ciencia que estudia el calor, el trabajo, la energía, y los cambios que provocan en los estados de los sistemas macroscópicos.

La química cuántica es la aplicación de la mecánica cuántica al estudio de la estructura atómica, molecular, y la espectroscopía.

Existe una tercera subdisciplina que permite actuar como puente entre el mundo microscópico descrito por la cuántica y el mundo macroscópico descrito por la termodinámica. Esta ciencia es la mecánica estadística, que justifica las leyes de la termodinámica y permite calcular propiedades termodinámicas macroscópicas a partir de propiedades moleculares.

La cinética estudia la velocidad de procesos tales como reacciones químicas, difusión, o el flujo de carga en una celda electroquímica. La cinética usa conceptos de las otras tres ramas de la química física.

Termodinámica

Dedicaremos este primer proyecto de aprendizaje en Química Física al estudio de la termodinámica, en concreto, a la termodinámica de equilibrio, que trata con sistemas en equilibrio (la termodinámica irreversible trata los sistemas que no están en equilibrio y los procesos de cambio. Se estudiará en química física avanzada). A partir de ahora, cada vez que hablemos de termodinámica nos referiremos a la termodinámica de equilibrio.

En termodinámica, a la región del universo que es objeto de estudio se le denomina sistema, y al resto del universo entorno o alrededores. Un sistema abierto es aquel que puede intercambiar materia y energía con el entorno. Un sistema cerrado es aquel capaz de intercambiar energía con el entrono, pero no materia. Un sistema aislado no puede intercambiar energía ni materia con el entorno.

Sistemas

Los sistemas están separados del entorno por paredes que reciben el nombre de límites. Las paredes pueden ser "rígidas" (inmóviles) o "flexibles", "permeables" (permiten el paso de materia a través de ella) o "impermeables" (no permiten el paso de materia a través de ella), "adiabáticas" (no permiten el paso de calor), también pueden ser físicas (tangibles) o matemáticas (intangibles o imaginarias).Como la termodinámica es una ciencia basada en la experimentación, los sistemas deben ser descritos por una serie de caraterísticas que lo identifican y que reciben el nombre genérico de propiedades. Las propiedades termodinámicas de los sistemas pueden ser extensivas o intensivas. Para diferenciarlas imagine tomar dos muestras del sistema de diferente tamaño, las propiedades que tienen diferente valor en cada muestra implican que dependen de la cantidad de materia del sistema, y el valor de una propiedad extensiva total puede expresarse como la suma de dicha propiedad en cada parte del sistema,como es el caso de la masa o el volumen, mientras que si el valor de la propiedad es la misma en ambas muestras entonces la propiedad no depende de la cantidad de materia del sistema y recibe el nombre de intensiva como es el caso de la masa molecular. Es posible convertir una propiedad extensiva a intensiva si se convierte ésta en una propiedad específica (dividiéndola entre la unidad de masa o de volumen) como es el caso de la densidad. Un "sistema homogéno" es aquel en que las propiedades intensivas son constantes a lo largo de todo el sistema, en otras palabras, tiene la misma composición, por ejemplo las soluciones, mientras que un "sistema heterogéneo" es aquel en el que las propiedades intensivas no son constantes en todo el sistema, por ejemplo las mezclas de varios sólidos. Los sistemas heterogéneos pueden dividirse en partes denominadas fases, que se definen como las partes que se pueden distinguir fácilmente en una mezcla,) por ejemplo una solución de sosa al 10 % consta de una sola fase, mientras que un sistema heterogéneo como la mezcla de agua y aceite consta de 2 fases.

Equilibrio

Se dice que un sistema se encuentra en equilibrio cuando sus propiedades no cambian con el tiempo, pero si alguna de ellas cambia, aunque sólo sea una, entonces el sistema está sufriendo un proceso. Los procesos pueden ser:

reversibles o ideales, si con un pequeño esfuerzo en sentido contrario regresa a sus condiciones anteriores, se realizan muy lentamente; por ejemplo, si se tiene una balanza de platillos y en un platillo se coloca una pesa de 100 g mientras que en el otro se colocan 100 gramos de azúcar, al quitar de grano en grano la balanza se desequilibrará muy lentamente. Pero si se regresa un grano, entoces el sistema regresa a su estado anterior.
irreversibles, cuando el sistema requiere de un gran esfuerzo para regresar a su condición anterior. Este proceso se realiza muy rápidamente.

Véase también