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El Efecto Doppler en la Física Clásica y en la Física Relativista
la sirena de la ambulancia y el bicho en el estanque Todos hemos notado que la altura (una de las características de un sonido) de la sirena de una ambulancia que se aproxima se reduce bruscamente cuando la ambulancia pasa al lado nuestro para alejarse. Esto es lo que se llama "Efecto Doppler". El fenómeno fue descripto por primera vez por el matemático y físico austríaco Christian Doppler (1803-1853). El cambio de altura se llama en Física "desplazamiento de la frecuencia" de las ondas sonoras. Cuando la ambulancia se acerca, las ondas provenientes de la sirena se comprimen, es decir, el tamaño de las ondas disminuye, lo cual se traduce en la percepción de una frecuencia o altura mayor. Cuando la ambulancia se aleja, las ondas se separan en relación con el observador causando que la frecuencia observada sea menor que la de la fuente. Por el cambio en la altura de la sirena, se puede saber si la misma se está alejando o acercando. Si se pudiera medir la velocidad de cambio de la altura, se podría también estimar la velocidad de la ambulancia. Una fuente emisora de ondas sonoras que se aproxima, se acerca al observador durante el período de la onda. Y, dado la longituda de la onda se acorta y la velocidad de propagación de la onda permanece sin cambios, el sonido se percibe más alto. Por esta misma razón, la altura de una fuente que se aleja, se reduce. El Efecto Doppler se observa en ondas de todo tipo (ondas sonoras, ondas electromagnéticas, etc.). Consideremos el caso de las ondas en la superficie del agua: supongamos que en el centro de un estanque hay un bicho moviendo sus patas periódicamente. Si las ondas se originan en un punto, se moverán desde ese punto en todas direcciones. Como cada perturbación viaja por el mismo medio, todas las ondas viajarán a la misma velocidad y el patrón producido por el movimiento del bicho sería un conjunto de círculos concéntricos como se muestra en la figura. Estos círculos alcanzarán los bordes del estanque a la misma velocidad. Un observador en el punto A (a la izquierda) observaría la llegada de las perturbaciones con la misma frecuencia que otro B (a la derecha). De hecho, la frecuencia a la cual las perturbaciones llegarían al borde sería la misma que la frecuencia a la cual el bicho las produce. Si el bicho produjera, por ejemplo, 2 perturbaciones por segundo, entonces cada observador detectaría 2 perturbaciones por segundo. Ahora supongamos que el bicho estuviera moviéndose hacia la derecha a lo largo del estanque produciendo también 2 perturbaciones por segundo. Dado que el bicho se desplaza hacia la derecha, cada perturbación se origina en una posición más cercana a B y más lejana a A. En consecuencia, cada perturbación deberá recorrer una distancia menor para llegar a B y tardará menos en hacerlo. Por lo tanto, el observador B registrará una frecuencia de llegada de las perturbaciones mayor que la frecuencia a la cual son producidas. Por otro lado, cada perturbación deberá recorrer una distancia mayor para alcanzar el punto A. Por esta razón, el observador A registrará una frecuencia menor. El efecto neto del movimiento del bicho (fuente de las ondas) es que el observador hacia el cual se dirige observe una frecuencia mayor que 2 por segundo y el observador del cual se aleja perciba una frecuencia menor que 2 por segundo. El Efecto Doppler se observa siempre que la fuente de ondas se mueve con respecto al observador. Es el efecto producido por una fuente de ondas móvil por el cual hay un aparente desplazamiento de la frecuencia hacia arriba para los observadores hacia los cuales se dirige la fuente y un aparente desplazamiento hacia abajo de la frecuencia para los observadores de los cuales la fuente se aleja. Es importante notar que el efecto no se debe a un cambio real de la frecuencia de la fuente. En el ejemplo anterior, el bicho produce en los dos casos 2 perturbaciones por segundo; sólo aparentemente para el observador al cual el bicho se acerca parece mayor.El efecto se debe a que la distancia entre B y el bicho se reduce y la distancia a A aumenta.   El Efecto Doppler en Astronomía Como se ha señalado más arriba, en el caso de la radiación electromagnética emitida por un objeto en movimiento también se presenta el Efecto Doppler. La radiación emitida por un objeto que se mueve hacia un observador se comprime; su frecuencia se percibe aumentada y se dice que la frecuencia "se desplaza hacia el azul". Por el contrario, la radiación emitida por un objeto que se aleja se estira, "se desplaza hacia el rojo". Los desplazamientos hacia el azul o hacia el rojo que exhiben las estrellas, galaxias y nebulosas indican su movimiento con respecto a la Tierra. En Astronomía, el Efecto Doppler fue estudiado originalmente en la parte visible del espectro electromagnético. Hoy, el "desplazamiento Doppler", como también se lo conoce, se estudia en todo el espectro de ondas. Debido a la relación inversa que existe entre frecuencia y longitud de onda, podemos describir el desplazamiento Doppler en términos de longitudes de onda. La radiación se corre hacia el rojo cuando la longitud de onda aumenta y se corre hacia el azul cuando la longitud de onda disminuye. Los astrónomos se basan en el desplazamiento Doppler para calcular con precisión la velocidad de las estrellas y otros cuerpos celestes con respecto a la Tierra y para determinar si se acercan o se alejan. Por ejemplo, las líneas espectrales del gas hidrógeno en galaxias lejanas es frecuentemente observada con un corrimiento hacia el rojo considerable. La línea del espectro de emisión, que normalmente (en la Tierra) se encuentra en una longitud de onda de 21 centímetros, puede ser observada a 21,1 centímetros. Este milímetro de corrimiento hacia el rojo indicaría que el gas se está alejando de la Tierra a 1400 kilómetros por segundo. Más aún, estudiando el Efecto Doppler, se puede obtener información acerca de estrellas específicas. Las galaxias son grupos de estrellas que en general rotan alrededor de su centro de masa. La radiación electromagnética emitida por cada estrella de una galaxia distante aparecerá desplazada hacia el rojo si la estrella al rotar se aleja de la Tierra. En el caso contrario aparecerá desplazada hacia el azul. Pero debe tomarse en cuenta lo siguiente: Los desplazamientos de frecuencia pueden ser el resultado de otros fenómenos, no del movimiento relativo del observador y la fuente. Otros dos fenómenos pueden estar involucrados: la existencia de campos gravitacionales muy fuertes que dan origen al "desplazamiento gravitacional hacia el rojo"; y el llamado "desplazamiento cosmológico hacia el rojo", debido a la expansión del espacio producto de la Gran Explosión. Fórmulas y cálculos Para poder expresar con números el fenómeno descripto en la sección anterior, consideremos los esquemas siguientes: Fuente fija con respecto al observador: la frecuencia de la fuente y la frecuencia observada coinciden Fuente en movimiento: la frecuencia de la fuente es menor que la observada por el observador del cual se aleja y mayor que la observada por el observador al cual se dirige. Esto es lo que se llama desplazamiento hacia el rojo y hacia el azul de la frecuencia de la fuente En el primer caso, las perturbaciones generadas por la fuente tienen la misma frecuencia en el lugar en que se originan que en el lugar donde son percibidas. (La fuente está en reposo con respecto al observador.) La longitud de la onda es . En el segundo caso, la fuente se mueve: el observador del cual la fuente se aleja percibe las perturbaciones como si la onda tuviera la longitud ; el observador al cual la fuente se dirige lo hace como si su longitud fuera . El cálculo de estas longitudes de onda a partir de la velocidad de propagación de la onda, la velocidad de la fuente (F) y el período se hace con las siguientes fórmulas: Las frecuencias se pueden calcular usando las siguientes fórmulas: La velocidad del sonido está determinada por el medio en que éste se mueve, y por lo tanto es la misma cuando la fuente está en movimiento que cuando está en reposo. La frecuencia y la longitud de onda percibidas cambian. A veces es conveniente expresar el cambio de longitud de onda como una fracción de la longitud de onda de la fuente en reposo: Su importancia se encuentra en el hecho de que muestran que el cambio relativo de frecuencia depende de la relación velocidad de la fuente/velocidad de propagación de la onda, no de ambas velocidades. El siguiente formulario permite calcular las frecuencias de ondas sonoras percibidas por causa del Efecto Doppler.

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SOLUBILIDAD
Otra propiedad física que permite conocer el tipo de enlace es la solubilidad. Los compuestos con enlace iónico son solubles en agua y los que tienen enlace covalente se disuelven en otros compuestos covalentes. Esta propiedad tiene varias excepciones, la fundamental es que las sustancias que tienen moléculas con muchos átomos de oxígeno y que no son macromoléculas son solubles en agua porque los átomos de oxígeno se unen con los átomos de hidrógeno del agua.
Prácticamente todos los compuestos formados con elementos situados a la derecha de la tabla periódica tienen enlaces covalentes. En la vida corriente serían todas las pinturas, disolventes, grasas, hidrocarburos, azúcar, alcohol, etc.
La solubilidad es la capacidad de una sustancia de disolver a otra, no necesariamente tienen que ser líquidas, pueden estar en los tres estados de la materia, por ejemplo las gaseosas son gases disueltos en líquidos, el talco es un sólido que absorbe líquidos. Hay factores que intervienen aumentando o disminuyendo esta capacidad, la presión es el menos importante, otros tienen mas trascendencia como:

• Afinidad entre las dos sustancias
• Concentración del soluto
• Tipos de enlace
• Grado de división del soluto
• Temperatura.

En general una sustancia con enlace polar (agua) disuelve otras con enlace polar. Las que tienen enlace no polar (éter, cloroformo) disuelven a otros con enlace no polar; por eso no se puede quitar una mancha de aceite con agua pero sin con gasolina o tinner.

ENLACES QUIMICOS

ENLACES QUIMICOS

Solo los gases nobles se presentan como átomos separados, en los materiales de nuestra vida diaria en su mayoría los elementos están unidos por enlaces químicos .Un enlace químico es representado por  líneas entre átomos ó palos conectando esferas, pero en términos químicos es el efecto que causan dos átomos lo suficientemente cerca para estar a  mas baja energía que cuando ellos están a otra distancia y es del orden de 100 kj por mol. Las fuerzas atractivas que mantienen juntos los elementos que conforman un compuesto, se explican por la interacción de los electrones que ocupan los orbitales más exteriores de ellos. Las propiedades periódicas como la energía de ionización y la afinidad electrónica, predicen la transferencia directa de electrones entre elementos y conformar enlaces de tipo iónico ó  compartir los electrones de los niveles mas externos para conformar configuraciones más estables (de  gas noble)y formar enlaces de tipo covalente. Las propiedades físicas y químicas para la gran mayoría de los compuestos se explican por las diferencias que presentan los tipos de enlace entre los elementos. El resultado de estas atracciones permite definir  las moléculas como agregados de átomos con propiedades distintas y distinguibles; de hecho las moléculas pueden ser muy estables o altamente reactivas

 

El enlace iónico

Cuando se transfieren electrones de un elemento metálico a uno no metálico, existe una atracción electrovalente entre el catión y el anión lo cual produce un compuesto de tipo iónico y cuya estructura generalmente es cristalina, como es el caso del sodio y la el cloro que por sus distribuciones electrónicas buscan una mayor estabilidad formando una sal donde cada ión de cloro esta rodeado por seis cationes de sodio y cada sodio rodeado por  seis aniones de cloro.

Mediante una transferencia de un electrón al cloro  de cada sodio adquiere la distribución del neón Na[Ne]3s¹ ®Na⁺ [Ne]+ e^-

Mediante la transferencia de un electrón del sodio, el cloro adquiere la distribución del argón Cl[Ne]3s²3p⁵ + e^- ®Cl^- [Ar]

   

      ® 

El enlace covalente

Cuando no existe suficiente diferencia de electronegatividad  para que exista transferencia electrónica, resultan dos átomos compartiendo uno o más pares de electrones y forman una molécula con energía de atracción débil en resultado poseen bajos puntos de fusión y ebullición en comparación con los iónicos. Los enlaces pueden ser simple, doble y triple, según la forma de compartir uno, dos o tres electrones.

La energía de las fuerzas de atracción o repulsión entre  los elementos que conforman un enlace iónico es función  de la distancia internuclear llegando a una distancia mínima donde se compensa  las fuerzas de atracción y de repulsión, la cual se denomina distancia de enlace. 

            ®   

La energía potencial de un sistemas de dos átomos, presenta un comportamiento donde a grandes distancias no hay interacción, a distancia de varios diámetros atómicos predomina la atracción y distancias muy cercanas predomina la repulsión, causando que la energía potencial aumente . Las energías de atracción y repulsión se equilibran en el mínimo punto de la curva; a dicha distancia los átomos son estables y se dice que el enlace químico existe entre ellos.     

Las estructuras de Lewis.

 

Son formulas electrónicas propuestas por Gilbert Lewis en 1916 para los enlaces covalentes, se presenta en forma de puntos el números de electrones de los niveles de valencia o sea los electrones químicamente importantes, y en especial para los elementos del grupo A que tratan de tener la configuración de gas noble, como el cloro donde se predice la formación de un enlace covalente, en el oxigeno y azufre dos  enlaces covalente, en el nitrógeno y fósforo se predicen tres en laces covalentes y en el carbono cuatro enlaces covalentes. Debido al gran numero de puntos esta representación no es muy útil en los elementos de transición.  Para las formulas de Lewis  todos los elementos de un mismo grupo tienen la misma configuración electrónica de los niveles más externos.

Como primera aproximación para la estructura de los enlaces las formulas de Lewis y solo muestra los, electrones de valencia y además, no permite mostrar las formas tridimensionales de las moléculas ó de iones poliatómicos   

 

EN LACES COVALENTES POLARES Y  NO POLARES :

Los átomos similares  que comparten electrones poseen una distribución de cargas simétricas permitiendo definir propiedades isotrópicas en las moléculas es decir no tiene regiones preferenciales de electronegatividad como es el caso de los compuestos de cloro y los de hidrógeno gaseoso.    este tipo de en lace se denomina no polar o apolar en función de la diferencia de electronegatividades DE = 0.  

Los enlaces donde el par de electrones nose  comparten por igual dejando una región carga eléctricamente forman moléculas asimétricas , como es el caso del cloruro de hidrógeno, estos modelos de densidad electrónica permiten definir la polaridad de las moléculas     y predicen la distribución de la nube de cargas electrónicas o dipolo   , la mínima densidad esta en el hidrógeno y la máxima en el cloro y las distribuciones se realizan resolviendo la ecuación de Schrödinger.                  

 

Para el agua el modelo presentado a continuación de la densidad electrónica en el agua , el oxigeno tiene gran densidad electrónica, y los hidrógenos baja por lo tanto el oxigeno esta cargado    y los hidrógenos tiene carga parcial . La afinidad electrónica del oxigeno es de 141 jJ/mol y el oxigeno solo 73 kJ/mol. La energía de ionización del O es de 1314 kJ/mol, mas o menos la del hidrógeno qure es de 1312 kJ/mol.

  

 

AYUDA PARA LA QUIMICA ORGANICA

QUIMICA INORGANICA

Definición de Química Inorgánica

La química inorgánica es la rama de la química que estudia las propiedades, estructura y reactividad de los compuestos inorgánicos.
Este campo de la química abarca todos los compuestos químicos descontando los que tienen enlaces carbono-hidrógeno, que son objeto de estudio por parte de la química orgánica.
Ambas disciplinas comparten numerosos puntos en común, y están surgiendo campos interdisciplinares de gran importancia, entre los que podemos citar la química organometálica.
La parte más importante de los compuestos inorgánicos se forman por combinación de cationes y aniones unidos por enlaces iónicos. Así, el NaCl se forma por unión de cationes sodio con aniones cloruro. La facilidad con la que se forma un compuesto iónico depende del potencial de ionización (para el catión) y de la afinidad electrónica (para el anión) de los elementos que generan los iones respectivos.
Los compuestos inorgánicos mas importantes son los óxidos, carbonatos, sulfatos, ect. La mayor parte de los compuestos inorgánicos se caracterizan por puntos de fusión elevados, baja conductividad en estado sólido y una importante solubilidad en medio acuoso.
A nivel industrial, la química inorgánica, tiene una gran importancia. Se acostumbra a medir el desarrollo de una nación por su productividad en ácido sulfúrico. Entre los productos químicos más fabricados a nivel mundial cabe citar el sulfato amónico, amoniaco, nitrato amónico, sulfato amónico, ácido hipocloroso, peróxido de hidrógeno, ácido nítrico, nitrógeno, oxígeno, carbonato de sodio…….

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ONDAS Y SONIDO

 ONDAS Y SONIDO

Una onda es una perturbación que avanza o que se propaga en un medio material o incluso en el vacío. Cuando estas ondas necesitan de un medio material, se llaman ondas mecánicas. Las únicas ondas que pueden propagarse en el vacío son las ondas electromagnéticas.

El sonido es un tipo de onda mecánica que se propaga únicamente en presencia de un medio material.

Un cuerpo al vibrar imprime un movimiento de vaivén (oscilación) a las moléculas de aire que lo rodean, haciendo que la presión del aire se eleve y descienda alternativamente. Estos cambios de presión se trasmiten por colisión entre las moléculas de aire y la onda sonora es capaz de desplazarse hasta nuestros oídos. Las partes de la onda en que la presión aumenta (las moléculas se juntan) se llaman compresiones y aquellas en que la presión disminuye (las moléculas se alejan) se llaman enrarecimientos.

Según la dirección de propagación, clasificamos las ondas en dos tipos:

Ondas Longitudinales:

Es cuando la vibración de la onda es paralela a la dirección de propagación de la propia onda. Estas ondas se deben a las sucesivas compresiones y enrarecimientos del medio, de este tipo son las ondas sonoras. Un resorte que se comprime y estira también da lugar a una onda longitudinal.

El sonido se trasmite en el aire mediante ondas longitudinales.

Otro ejemplo de onda longitudinal es quella que se produce cuando se deja caer una piedra en un estanque de agua, Se origina una perturbacion que se propaga en circulos concéntricos que, al cabo del tiempo, se extienden a todas las partes del estanque.

Ondas Transversales:

Donde la vibración es perpendicular a la dirección de la onda. Las ondas transversales se caracterizan por tener montes y valles. Por ejemplo, las ondas que se forman sobre la superficie del agua al arrojar una piedra o como en el caso de una onda que se propaga  a lo largo de una cuerda tensa a la que se le sacude por uno de sus extremos.

Características generales o elementos de las ondas

Tren de ondas: Todas las ondas al moverse lo hacen una tras otra como si fuera un tren de donde se coloca un vagon tras otro.


Nodo: Es el punto donde la onda cruza la línea de equilibrio.

Elongación: Es la distancia entre cualquier punto de onda y su posición de equilibrio.
Cresta, monte o pico: es el punto más alto de una onda
Valle: Es el punto más bajo de una onda.


Periodo: Tiempo que tarda en efectuarse una onda o vibracion completa, se mide en segundos o s/ciclo se representa con una T mayúscula.

Notemos que el periodo (T) es igual al recíproco de la frecuencia (f) y viceversa.
Amplitud (A) : Es la maxima separacion de la onda o vibración desde su punto de equilibrio.

La longitud de onda (λ) es la distancia entre dos máximos o compresiones consecutivos de la onda. En las ondas transversales la longitud de onda corresponde a la distancia entre dos montes o valles, y en las ondas longitudinales a la distancia entre dos compresiones contiguas. También podemos decir que es la distancia que ocupa una onda completa, se indica con la letra griega lambda (Λ) y se mide en metros. A la parte superior de la onda se le llama cresta y a la inferior se le llama valle.
Tomaremos como ejemplo ilustrativo una onda transversal.

Frecuencia: Es el número de ondas producidas por segundo. La frecuencia se indica con la letra f minúscula. Se mide en ciclos/ segundo o hertz (Hz). Coincide con el número de oscilaciones por segundo que realiza un punto al ser alcanzado por las ondas.
Las dos magnitudes anteriores, longitud y frecuencia, se relacionan entre sí para calcular la velocidad de propagación de una onda.
Velocidad de propagación: Es la relación que existe entre un espacio recorrido igual a una longitud de onda y el tiempo empleado en recorrerlo.
Se indica con la letra V y es igual al producto de la frecuencia (f) por la longitud de onda (λ).
Matemáticamente se expresa así:

 por lo tanto

fórmula que nos indica que la longitud de onda λ y la frecuencia f son dos magnitudes inversamente proporcionales, es decir que cuanto mayor es una tanto menor es la otra.
Ver: PSU: Física;
Periodo: Es el tiempo (en segundos) que tarda un punto en realizar una oscilación completa al paso de una onda. Se abrevia con la letra (T).

La frecuencia (f) se relaciona con el periodo según la fórmula

Volvamos a la fórmula

 para reemplazar en ella f (frecuencia), y nos queda la fórmula

Lo cual nos indica que también podemos calcular la velocidad si conocemos la longitud  (λ) y el periodo (en segundos) de una onda.
Como vemos, podemos relacionar estas magnitudes  y conociendo los valores de algunas de ellas podemos determinar los valores de las otras, usando las fórmulas indicadas.