Posgrado
  1. Química Física  1.1. Termodinámica  1.1.1. Leyes de la Termodinámica  1.1.2. Entalpía y capacidad calorífica  1.1.3. Entropía y energía libre  1.1.4. Equilibrio de Fase  1.1.5. Termodinámica estadística  1.1.6. Ciclo termodinámico  1.1.7. Fugacidad y actividad  1.2. Química Cuántica  1.2.1. Principios de la mecánica cuántica  1.2.2. Ecuación de Schrödinger  1.2.3. Partícula en una caja  1.2.4. Operadores y valores propios  1.2.5. Orbitales atómicos  1.2.6. Teoría de orbitales moleculares  1.2.7. Teoría de perturbaciones  1.2.8. Teoría del enlace de valencia  1.2.9. Hibridación y enlace químico  1.3. Cinética química  1.3.1. Leyes de velocidad y mecanismos de reacción  1.3.2. Teoría de colisiones  1.3.3. Teoría del estado de transición  1.3.4. Cinética Enzimática  1.3.5. Reacciones en cadena y polimerización  1.3.6. Reacciones fotoquímicas  1.4. Mecánica estadística  1.4.1. Función de partición  1.4.2. Funciones de distribución molecular  1.4.3. Distribución de Boltzmann  1.4.4. Estadísticas de Bose–Einstein y Fermi–Dirac  1.5. Espectroscopía  1.5.1. Espectroscopía Rotacional  1.5.2. Espectroscopia Vibracional  1.5.3. Espectroscopía Electrónica  1.5.4. Espectroscopia de resonancia magnética nuclear  1.5.5. Espectrometría de Masas  1.5.6. Espectroscopía Raman  1.5.7. Espectroscopía de resonancia paramagnética electrónica  1.6. Química de superficies y coloides  1.6.1. Isoterma de absorción  1.6.2. Tensión superficial y mojado  1.6.3. Estabilidad Coloidal  1.6.4. Catalisis  1.6.5. Emulsiones y micelas  1.7. Electroquímica  1.7.1. Ecuación de Nernst  1.7.2. Células electroquímicas  1.7.3. Conductividad y movilidad  1.7.4. Guerra  1.7.5. Celdas de combustible  1.7.6. Electrólisis
  2. Química orgánica  2.1. Mecanismo de reacción  2.1.1. Reacciones de sustitución nucleofílica  2.1.2. Reacciones de adición electrofílica  2.1.3. Reacciones de eliminación  2.1.4. Reacciones de reordenamiento  2.1.5. Reacciones radicales  2.1.6. Reacciones pericíclicas  2.2. Espectroscopia y determinación estructural  2.2.1. Espectroscopía UV-Vis  2.2.2. Espectroscopia IR  2.2.3. Espectroscopía de RMN  2.2.4. Espectrometría de Masa  2.2.5. Cristalografía de rayos X  2.3. Estereoscópico  2.3.1. Quiralidad y actividad óptica  2.3.2. Análisis estructural  2.3.3. Isomería geométrica  2.3.4. Estereoquímica Dinámica  2.4. Química Organometálica  2.4.1. Reactivos de organolitio y organomagnesio  2.4.2. Reacciones de acoplamiento cruzado catalizadas por paladio  2.4.3. Complejos de metales de transición  2.4.4. Enlace metal-carbono  2.5. Química de polímeros  2.5.1. Mecanismo de polimerización  2.5.2. Características de los Polímeros  2.5.3. Polímero Biodegradable  2.5.4. Polímero conductor  2.5.5. Polímeros supramoleculares  2.6. Química medicinal  2.6.1. Diseño y desarrollo de fármacos  2.6.2. Farmacocinética y farmacodinámica  2.6.3. Relaciones estructura-actividad  2.6.4. Acoplamiento molecular y selección de fármacos
  3. Química inorgánica  3.1. Química de coordinación  3.1.1. Teoría del campo cristalino  3.1.2. Teoría del campo de ligandos  3.1.3. Serie espectroquímica  3.1.4. Quelación y estabilidad  3.2. Química Organometálica  3.2.1. Carbonilos Metálicos  3.2.2. Catalysis por complejos organometálicos  3.2.3. Metalocenos  3.3. Química bioinorgánica  3.3.1. Metaloproteínas y enzimas  3.3.2. El rol de los metales en los sistemas biológicos  3.3.3. Transporte y almacenamiento de iones metálicos  3.4. Química del estado sólido  3.4.1. Estructuras Cristalinas  3.4.2. Teoría de bandas de los sólidos  3.4.3. Superconductors  3.4.4. Defectos en el cristal  3.5. Lantánidos y Actínidos  3.5.1. Configuración electrónica en lantánidos y actínidos  3.5.2. Química de coordinación de los lantánidos  3.5.3. Propiedades Magnéticas de los Lantánidos
  4. Química analítica  4.1. Cromatografía  4.1.1. Cromatografía de Gases  4.1.2. Cromatografía Líquida de Alta Resolución  4.1.3. Cromatografía en Capa Fina  4.2. Técnicas Espectroscópicas  4.2.1. Espectroscopía de absorción atómica  4.2.2. Difracción de rayos X  4.2.3. Espectroscopía de plasma acoplado inductivamente  4.3. Métodos electroanalíticos  4.3.1. Potenciometría  4.3.2. Voltametría  4.3.3. Colometría  4.4. Espectrometría de masas  4.4.1. Técnica de Ionización  4.4.2. Patrón de Fragmentación  4.5. Chemometría  4.5.1. Análisis multidisciplinario  4.5.2. Aprendizaje Automático en Química
  5. Química Teórica y Computacional  5.1. Simulación de dinámica molecular  5.1.1. Force fields and energy minimization  5.1.2. Simulación de Monte Carlo en simulaciones de dinámica molecular  5.2. Métodos químicos cuánticos  5.2.1. Teoría de Hartree–Fock  5.2.2. Teoría del funcional de la densidad  5.2.3. Métodos semiempíricos  5.3. Diseño computacional de fármacos  5.3.1. Alineamiento Molecular  5.3.2. Modelado QSAR  5.3.3. Tamizaje Virtual
  6. Bioquímica  6.1. Enzyme Kinetics  6.1.1. Cinética de Michaelis-Menten  6.1.2. Mecanismo de inhibición  6.2. Metabolismo y Bioenergética  6.2.1. Glicólisis  6.2.2. Ciclo del ácido cítrico  6.2.3. Cadena de transporte de electrones  6.3. Biología Molecular  6.3.1. Replicación y reparación del ADN  6.3.2. La síntesis de proteínas  6.3.3. Regulación Génica  6.4. Bioquímica Estructural  6.4.1. Plegado de proteínas  6.4.2. Biofísica de Membranas
  7. Química Ambiental  7.1. Química Atmosférica  7.1.1. Gases de efecto invernadero  7.1.2. Agotamiento del ozono  7.1.3. Contaminantes del aire y humo  7.2. Química del Agua  7.2.1. pH y dureza del agua  7.2.2. Tratamiento de aguas residuales  7.2.3. Química Acuática  7.3. Química del Suelo  7.3.1. Contaminación por metales pesados  7.3.2. pH del Suelo y Amortiguación  7.3.3. Ciclo de nutrientes  7.4. Toxicología y Seguridad Química  7.4.1. Toxicocinética  7.4.2. Evaluación de Riesgos en Toxicología y Seguridad Química en Química Ambiental  7.4.3. Efectos de los contaminantes en el medio ambiente

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Termodinámica


La termodinámica es una rama fundamental de la química física que trata con los principios que rigen la energía y sus transformaciones. Este campo nos proporciona herramientas para predecir la dirección de los procesos a nivel macroscópico, independientemente de los detalles microscópicos de la materia. Aquí estudiaremos la termodinámica en profundidad, cubriremos sus conceptos y principios básicos, y proporcionaremos ejemplos ilustrativos para mejorar la comprensión.

Conceptos básicos de la termodinámica

Sistema y entorno

Un concepto central en termodinámica es la definición de un sistema y su entorno. El sistema se refiere a la parte del universo que nos interesa estudiar, mientras que el entorno es todo lo demás. Los sistemas se pueden clasificar en tres tipos:

  • Sistema abierto: puede intercambiar energía y materia con el entorno. Por ejemplo, un vaso abierto lleno de agua.
  • Sistema cerrado: Puede intercambiar energía pero no materia con el entorno. Por ejemplo, un recipiente sellado con un pistón que se mueve a temperatura constante.
  • Sistema aislado: no puede intercambiar energía ni materia con el entorno. Por ejemplo, un termo aislado.

Función de estado y variables de estado

Las propiedades de un sistema pueden describirse utilizando variables de estado, que dependen solo del estado actual del sistema. Los ejemplos incluyen presión (P), volumen (V), temperatura (T) y energía interna (U). Estas también se conocen como funciones de estado porque sus valores dependen solo del estado del sistema, no de cómo el sistema alcanzó ese estado.

Leyes de la termodinámica

Primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica es la declaración de conservación de la energía. Afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, solo transformarse o transferirse. Matemáticamente, se expresa como:

        ΔU = Q – W

donde ΔU es el cambio en la energía interna, Q es el calor añadido al sistema, y W es el trabajo realizado por el sistema.

Por ejemplo, considere un gas encerrado en un pistón. Si se añade calor al gas, esto puede hacer que el gas se expanda, haciendo trabajo sobre el pistón.

Pistón Gas

A medida que el pistón se mueve hacia arriba, hace trabajo sobre el entorno. El equilibrio energético se verá como se describe en la ecuación anterior.

Segunda ley de la termodinámica

La segunda ley de la termodinámica introduce el concepto de entropía, que es una medida del desorden en un sistema. Afirma que la entropía de un sistema aislado siempre aumenta con el tiempo. Puede formularse de la siguiente manera:

        ΔS ≥ 0

donde ΔS es el cambio en entropía. En procesos reales, la energía tiende a disiparse, causando un aumento en la entropía.

Considere mezclar dos gases, A y B, en un sistema aislado. Inicialmente, los gases están separados por una partición. Una vez que se quita la partición, los gases se mezclan, moviéndose hacia un estado de mayor desorden (mayor entropía).

Tercera ley de la termodinámica

La tercera ley de la termodinámica establece que a medida que la temperatura de un sistema se acerca al cero absoluto (0 Kelvin), la entropía de una sustancia cristalina perfectamente ordenada se acerca a cero. Esta ley implica que es imposible alcanzar el cero absoluto en un número finito de pasos.

Procesos termodinámicos

Proceso isotérmico

En un proceso isotérmico, la temperatura del sistema permanece constante. Un ejemplo común es cuando un gas se comprime lentamente en un pistón, intercambiando calor con el entorno y manteniendo una temperatura constante.

        q = w

En una expansión o compresión isotérmica, el trabajo realizado por o sobre el sistema es igual al calor intercambiado.

Proceso adiabático

El proceso adiabático ocurre sin intercambio de calor con el entorno. Durante la compresión o expansión en un proceso adiabático, la temperatura del sistema cambiará. La relación entre las variables es:

        PV γ = const

donde γ es el índice adiabático, dado por la razón de capacidades caloríficas (Cp/Cv).

Procesos isobáricos e isocóricos

Los procesos isobáricos ocurren a presión constante, mientras que los procesos isocóricos ocurren a volumen constante. La relación para procesos isocóricos es:

        w = 0

Como no hay cambio en el volumen, no se realiza trabajo en el proceso isocórico.

Energía libre y equilibrio

Energía libre de Gibbs

La energía libre de Gibbs (G) es importante para predecir la espontaneidad de los procesos a presión y temperatura constantes. El cambio en energía libre de Gibbs se da por:

        ΔG = ΔH – TΔS

Donde ΔH es el cambio en entalpía y ΔS es el cambio en entropía.

Un proceso es espontáneo si:

        ΔG < 0

En equilibrio, ΔG es cero, es decir, no hay cambio neto.

Equilibrio químico

En reacciones químicas, la termodinámica puede predecir el estado de equilibrio utilizando el cociente de reacción Q y la constante de equilibrio K. Si Q < K, la reacción avanza; si Q > K, la reacción retrocede hasta que Q = K en equilibrio.

Aplicaciones de la termodinámica

Eficiencia de motores

La termodinámica es útil para entender la eficiencia de motores, como el motor de Carnot. La eficiencia de un motor Carnot que opera entre dos depósitos térmicos se da por:

        Eficiencia = 1 – (Tc/Th)

donde Tc y Th son las temperaturas absolutas de los depósitos frío y caliente, respectivamente.

Refrigeración

Los principios de la termodinámica también se aplican a los ciclos de refrigeración, donde se elimina el calor del espacio refrigerado hacia el entorno. El coeficiente de rendimiento (COP) es una medida de eficiencia en bombas de calor y frigoríficos.

Estos pocos ejemplos ilustran la amplia gama de aplicaciones y principios subyacentes de la termodinámica en química física. A través de estos conceptos, los químicos pueden comprender mejor las barreras energéticas y potenciales que rigen las reacciones químicas, los cambios de fase y todos los procesos del mundo real.


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