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2 La indispensable energía¿Para qué comemos, para qué llenamos el tanque de un auto con gasolina o cambiamos una bombona de gas “vacía” por una llena? Sin alimento no viviremos, ni el auto podrá llevarnos a donde queremos sin gasolina, ni podremos cocinar sin gas.

3 La indispensable energíaLos alimentos, la gasolina y el gas son combustibles y los necesitamos porque su combustión libera energía, la cual es necesaria para realizar nuestras funciones vitales, para que el auto se desplace y para cocinar los alimentos.

4 La indispensable energíaAhora bien, podríamos pensar en un auto que en vez de gasolina utilizara energía solar, y en una cocina que funcionara con energía eléctrica en vez de gas, pero siempre necesitarían energía.

5 La indispensable energíaEn la búsqueda y aprovechamiento de la energía, el hombre ha invertido una parte importante de su ingenio y de su propia energía.

6 La indispensable energíaLo hizo al cazar y recolectar materiales para producir fuego; después trató de economizar su propia energía e inventó la rueda, domesticó animales e, incluso, esclavizó a otros humanos.

7 La indispensable energíaUtilizó el poder de las aguas y los vientos, inventó máquinas y descubrió otras fuentes de energía.

8 La indispensable energíaPuede decirse que el hombre siempre ha estado a la “caza” de energía. Y la ha encontrado.

9 Materia y energía Pero, ¿qué es eso que llamamos energía y que nos hace tanta falta? La energía no es fácil de definir. No ocurre lo mismo con la materia que la definimos como todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio.

10 Materia y energía Así se hace la materia perceptible a nuestros sentidos. La energía es otro asunto. Energía viene del griego ergon que significa acción. Es decir, tener el poder de actuar sobre algo, de producir un cambio.

11 Materia y energía Es muy importante destacar que no habrá un cambio sin que la energía esté involucrada en mayor o menor grado en el mismo. La energía se nos evidencia en los cambios que observamos en la materia.

12 Materia y energía La energía es la capacidad que tiene un sistema para realizar un trabajo y se nos puede manifestar de muchas formas: calor, cambios de volumen, emisión o absorción de luz, cambios de velocidad en el movimiento de un sistema, cambios de posición relativa respecto a una fuerza de atracción o repulsión, generación o consumo de electricidad, etc.

13 Materia y energía La energía es algo que el hombre ha sabido siempre que está relacionado con la materia. Quizás el elemento fuego de los griegos no era más que energía.

14 Materia y energía El elemento calórico fue considerado así hasta comienzos del siglo XIX, cuando se comenzó a distinguir entre materia y energía. Einstein, por ejemplo, a comienzos del siglo XX las relacionó de nuevo al expresar que la masa y la energía son equivalentes, no iguales.

15 Materia y energía Ellas son los extremos de una propiedad invariante (que se conserva) que llamamos masa-energía. La masa de un cuerpo es una medida de la cantidad de energía que contiene, pero no es la cantidad de energía total que posee el cuerpo. Energía total = energía externa + energía interna

16 Materia y energía Dos cubos de hierro de igual masa, uno ubicado sobre el techo de una casa y el otro en el suelo, no tienen la misma energía. Bastará con colocar uno sobre un vidrio en el suelo y dejar caer el otro desde el techo.

17 Materia y energía Este último tiene una cantidad de energía extra debido a su posición (energía potencial, EP). De igual manera, una pelota lanzada horizontalmente posee una energía extra con relación a cuando estaba en reposo, debido a su movimiento (energía cinética, EC).

18 Materia y energía De acuerdo con esto, podemos afirmar que un cuerpo como un todo, tiene una energía que depende tanto de su posición como de su movimiento: es la energía externa, y otra energía que depende de su constitución (tipo de materia, estado físico y cantidad de materia) y que denominamos energía interna (U).

19 Materia y energía Luego, la energía total (E) cumple E = U + EC + EPAsí como la energía externa puede cambiar, también la energía interna puede hacerlo.

20 Materia y energía Si colocamos este cuerpo en contacto con otro a menor temperatura, parte de su energía interna será transferida en forma de calor.

21 Materia y energía La energía interna puede intercambiarse entre un sistema y el medio de dos formas diferentes: como calor (Q) y como trabajo (W).

22 Materia y energía Si ahora el cubo de hierro antes mencionado es calentado con una llama, absorberá energía del medio en forma de calor pero, al mismo tiempo, perderá una parte de esta energía al hacer un trabajo sobre el medio como resultado de su dilatación (aumento de volumen).

23 Materia y energía La variación de la energía interna del sistema (U) es igual a Q + W.

24 La energía del Universo se conservaEn el ejemplo anterior, es importante destacar que si el cubo no se movió o cambió mucho el cambio en su energía externa, al calentarlo un poco, es aproximadamente de cero. Así, la variación de la energía total del cubo es ΔE = ΔU.

25 La energía del Universo se conservaAhora bien, la cantidad de energía ganada en el ejemplo por el cubo (sistema), es exactamente igual a la cantidad de energía perdida por el medio, de forma tal que la energía del Universo se conserva, es decir ΔEU = 0.

26 ¿Dónde se origina la energía interna?La energía interna de un sistema es mucho mayor que la externa. La masa en reposo (m0) es la mayor contribución a la energía interna de un sistema y, por tanto, a su energía total.

27 ¿Dónde se origina la energía interna?Lo hace en la forma de E = m0c2, donde c representa la velocidad de la luz en el vacío.

28 ¿Dónde se origina la energía interna?Es muy importante indicar que esta contribución no varía apreciablemente sino en las reacciones nucleares, por lo que no se considera en los cambios fisicoquímicos ordinarios.

29 ¿Dónde se origina la energía interna?El conjunto de materiales que conforman un sistema determinado (las partículas atómicas y subatómicas) están en constante movimiento a temperaturas superiores a 0 K.

30 ¿Dónde se origina la energía interna?A su vez, se ejercen interacciones dentro de ellas y entre ellas; esto es, para cada partícula dentro del sistema podríamos hablar de una energía cinética y una potencial.

31 ¿Dónde se origina la energía interna?Estos movimientos e interacciones contribuyen a la energía interna aunque en menor grado que la masa en reposo.

32 ¿Dónde se origina la energía interna?Debido al inmenso número de partículas que forman los sistemas reales y debido también a su movimiento incesante, no es posible conocer la energía interna (U) del sistema real pero sí el valor de ΔU, pues éste requiere sólo manejar los valores de Q y W que se determinan experimentalmente.

33 Para pensar

34 ¿En qué sentido ocurren los cambios?Para que un proceso ocurra de forma espontánea, es decir, sin la intervención de una acción externa, la energía inicial del sistema necesariamente debe disminuir a fin de llegar a un estado de mayor estabilidad.

35 ¿En qué sentido ocurren los cambios?En sistemas mecánicos, por ejemplo, al colocar una pelota en un plano inclinado y soltarla, ésta bajará la cuesta y el criterio de una disminución en la energía potencial del sistema lucirá adecuado para definir el sentido de este tipo de cambio; lo contrario sólo sucederá si se aplica una fuerza externa.

36 ¿En qué sentido ocurren los cambios?En Química, la propiedad análoga a la energía potencial de un sistema es su energía interna. Si ésta disminuye, o lo hace el cambio entálpico, en principio, la espontaneidad del cambio debiera tener este sentido.

37 ¿En qué sentido ocurren los cambios?Sin embargo, en muchas situaciones este criterio resulta insuficiente y se requiere del uso de un parámetro adicional, la variación en el contenido entrópico, para definir el sentido del proceso.

38 ¿En qué sentido ocurren los cambios?La entropía es la propiedad termodinámica relacionada con la forma en que la energía de un sistema se distribuye entre los niveles disponibles, y el sentido del cambio estará favorecido en la medida en que este valor crezca en nuestro sistema.

39 ¿En qué sentido ocurren los cambios?La conjunción de estas dos contribuciones, llamada energía libre de Gibbs, determinará finalmente el sentido de la espontaneidad para cualquier tipo de situación posible.

40 La entropía del Universo aumentaEn procesos que ocurren espontáneamente, la característica de la contribución entrópica que va en este mismo sentido, es aquella en la cual la energía de los microsistemas que lo conforman se distribuye al máximo dentro de las posibilidades factibles o disponibles.

41 La entropía del Universo aumentaPor tanto, incrementos en la entropía del sistema ciertamente favorecen la espontaneidad de un proceso, aunque es necesario destacar que esta tendencia no necesariamente la determina de forma exclusiva.

42 La entropía del Universo aumentaHay otros factores a considerar entre los cuales destacan, por ejemplo, la temperatura y el sentido del cambio entálpico.

43 La entropía del Universo aumentaEl calor, como la temperatura, afectan tanto al número de niveles de energía disponibles como a la magnitud del cambio entrópico que puede ocurrir al variar la temperatura, y lo hacen de forma inversa.

44 La entropía del Universo aumentaFinalmente, es importante mencionar que todos los procesos que ocurren espontáneamente, independientemente del signo que tenga el cambio entrópico que ocurra en el sistema o en su entorno, producen un aumento de la entropía del Universo.

45 La entropía del Universo aumentaEste hecho es conocido como el segundo principio o segunda ley de la termodinámica.

46 La entropía del Universo aumentaUtiliza tu sentido común (experiencias previas) para decidir en cada caso si el sistema cambia de A hacia B o de B hacia A. El sentido en el que ocurran los cambios es el sentido en el que aumenta la entropía del Universo.

47 La entropía del Universo aumentaTodos sabemos que un clavo expuesto a la atmósfera se oxida. No ocurre lo contrario por sí solo: ¡del óxido no saldrá un clavo!

48 La entropía del Universo aumentaSin embargo, el hombre obtiene el hierro a partir de sus óxidos, y del hierro obtenido fabricará clavos, pero para llegar a este estado final deberá invertir energía. Recuérdese lo que ocurre en el proceso siderúrgico.

49 El Sol, fuente primaria de energíaSe cree que el Sol tiene entre y millones de años y es una estrella. Del Sol depende toda la vida terrestre.

50 El Sol, fuente primaria de energíaDe la energía que recibimos de esta fuente, un 30% es dispersada por la atmósfera o reflejada por las nubes y la superficie terrestre; un 50% es absorbida por el suelo y los océanos en forma de calor; casi el 20% restante es absorbido por los gases de la atmósfera, el vapor de agua y gotas de agua; y apenas un 0,1%, aproximadamente, queda a disposición de los organismos fotosintéticos que forman las bases de las cadenas alimenticias.

51 El Sol, fuente primaria de energíaEl Sol nos provee en lo inmediato de energía en forma de calor, pero, además, parte de su energía ha ingresado en cadenas alimenticias que nos incluyen; otra parte ha ido acumulándose lentamente en combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural); otra más mueve los vientos y corrientes de agua que nos proveerán de energía eólica e hidráulica, transformables en otras formas, por ejemplo, la eléctrica.

52 El Sol, fuente primaria de energíaAhora bien, toda esa energía que nos llega del “astro rey” se origina de algo tan micro como es el protón.

53 El núcleo atómico: Cantera ilimitada de energía¿Por qué el Sol y el resto de las estrellas brillan con luz propia? Ésta es una de las preguntas que intrigó a la humanidad durante miles de años.

54 El núcleo atómico: Cantera ilimitada de energíaTodas las civilizaciones han reconocido la importancia del Sol para la vida haciéndolo objeto de cultos y mitos diversos, pero hace apenas exactamente un siglo se dio el gran paso para encontrar las respuestas científicas hoy aceptadas.

55 El núcleo atómico: Cantera ilimitada de energíaEn septiembre de 1905, a sus escasos 26 años de edad, Albert Einstein, para ese entonces un desconocido empleado de una oficina de patentes, revela a través de la que es quizás la ecuación más famosa: E = mc2, cómo concibe la relación entre la masa y la energía.

56 El núcleo atómico: Cantera ilimitada de energíaEn la ecuación, c representa la velocidad de la luz. Ahora bien, faltaría plantear las consecuencias de la expresión c2 dentro de la formulación einsteniana. Es lo que haremos en seguida.

57 El Sol: Cantera ilimitada de energíaLa velocidad de la luz tiene un valor aproximado de 3,00 x 108 m/s, por lo que el elevarla al cuadrado implica un número tan grande como 9,00 x 1016 m2/s2.

58 El Sol: Cantera ilimitada de energíaEn consecuencia, al aplicar esta ecuación en forma directa nos encontramos con algo difícil de percibir o imaginar que cambiaría para siempre nuestra visión de la materia: al convertir 1 g (0,001 kg) de masa en energía se produce 9,00 x 1013J.

59 El Sol: Cantera ilimitada de energíaEsta energía mantendría encendido una bombilla de vatios durante años (esperando que a éste no le diera por quemarse antes, cosa bastante probable), o daría un rendimiento equivalente al de toneladas de gasolina.

60 El Sol: Cantera ilimitada de energíaLa energía producida en Sol, así como en otras estrellas, proviene de la fusión de núcleos de hidrógeno que forman núcleos de helio y radiaciones gamma, los cuales son la expresión de la energía que se libera en este proceso.

61 El Sol: Cantera ilimitada de energíaEl número de núcleos que reacciona cada segundo es enorme y, por tanto, también la energía liberada.

62 El Sol: Cantera ilimitada de energíaSe calcula que este fenómeno ocurre 1056 veces por segundo en nuestro “astro rey”, de allí el incontenible brillo y energía con el que siempre nos ha cobijado.

63 El Sol: Cantera ilimitada de energíaLa energía liberada atraviesa todo el cuerpo del Sol hasta que emerge como radiación electromagnética en la superficie, y es lo que hace brillar al Sol y a las demás estrellas.

64 El Sol: Cantera ilimitada de energíaLa energía radiante escapa de la fotosfera solar y, después de un viaje de 150 millones de kilómetros a la velocidad de la luz, llega a la Tierra a través del vacío en forma de un invisible tren de ondas electromagnéticas.

65 El Sol: Cantera ilimitada de energíaEn otras reacciones nucleares, como la fisión de núcleos de uranio 238, al ser éstos impactados por neutrones, nuevamente se encuentra un efecto de masa que se podría traducir en el funcionamiento de un reactor nuclear que tenga al uranio como fuente energética.

66 El Sol: Cantera ilimitada de energíaEnergía nuclear que se transforma en energía térmica al calentar agua que, al evaporarse, hace que unas turbinas produzcan, a su vez, energía eléctrica.

67 El Sol: Cantera ilimitada de energíaAlgunos países obtienen la mayor parte de su electricidad de esta forma.

68 El Sol: Cantera ilimitada de energíaSi bien la energía nuclear es mucho más potente que otras formas de energía y podría, además, traducirse en la posibilidad de energía a más bajo costo, involucra enormes riesgos con sus desechos en caso de algún accidente.

69 ¿Sabías que...? La fusión 2H + 2H → 4He + 0e– produce alrededor de 4 veces más energía que la fisión 235U + 1n → 93Kr + 140Ba + 31n.

70 ¿Sabías que...? De allí que la energía de fusión nuclear cuando se llegue a controlar (algunos dicen que a mediados de este siglo), hará que los reactores nucleares que la utilicen dejen en el olvido a los actuales que se basan en procesos de fisión nuclear.

71 ¿Sabías que...? ¿Qué beneficios nos esperan y cuáles peligros nos acechan como producto de tales tecnologías? Ahí empieza una interminable controversia.

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73 Energía eléctrica En algunas plantas de electricidad se quema combustible fósil para generar energía térmica, que luego es reconvertida en energía eléctrica y transmitida a sus centros de consumo.

74 Energía eléctrica Allí, la electricidad así generada es utilizada para poner en marcha un sinfín de aplicaciones, tales como: generar luz, energía térmica para calentar el ambiente o algunos alimentos, enfriar el ambiente o poner en marcha las neveras, etc.

75 Energía eléctrica En este mismo sentido, en los automóviles, independientemente de su vistosidad, la energía térmica producida por la combustión de hidrocarburos es transformada por una serie de dispositivos en el trabajo mecánico necesario para su movilización y funcionamiento.

76 Energía termoeléctricaCuando ocurren reacciones químicas favorecidas termodinámicamente, como las que tienen lugar en la combustión de una mezcla de hidrocarburos, los reactantes reacomodan sus contenidos formando moléculas de mayor estabilidad, por ejemplo, CO2 y H2O, liberando energía en el proceso.

77 Energía termoeléctricaPero, ¿qué es la combustión? ¿Qué productos se forman cuando se queman los combustibles derivados del petróleo? ¿Cuánta energía interviene?

78 Energía termoeléctricaUna ecuación química que ejemplifica estos procesos es la siguiente: En este caso se está quemando un alcano en presencia de oxígeno. Demuestra tu destreza ajustando la ecuación.

79 Energía térmica La energía térmica que se produce depende directamente del tipo de sustancia y de la cantidad de ésta que se queme. De allí que la masa molar y la masa del hidrocarburo sean los factores a considerar para obtener determinada cantidad de energía.

80 Energía térmica En el caso de los productos derivados del petróleo, tal y como se mencionó anteriormente en distintas ocasiones, el contenido molecular de cada fracción o mezcla determina la magnitud del calor liberado y su posible aplicación. En todos estos casos, las reacciones de combustión son exotérmicas.

81 Energía térmica La energía desprendida por la formación de los enlaces en las moléculas de los productos (dióxido de carbono gaseoso y vapor de agua), es mayor que la energía requerida para romper los enlaces en las moléculas reaccionantes del alcano y el oxígeno gaseoso, ya que la reacción, al ser exotérmica, proporciona energía que puede ser utilizada.

82 Energía térmica La reacción debe ser iniciada con una chispa, pero luego de iniciarse procede sin detenerse. Es por ello que es muy difícil controlar un incendio en pozos petroleros o instalaciones de almacén de combustibles.

83 Hacia las energías renovablesLos combustibles fósiles, y en particular el petróleo, impulsan literalmente a las sociedades industrializadas. Pero, y siempre hay un pero, el suministro de petróleo no es ilimitado ni barato.

84 Hacia las energías renovablesAsí pues, siempre será muy importante tanto el tratar de maximizar la eficiencia en el aprovechamiento de la energía producida, utilizando este tipo de reacciones químicas de combustión de hidrocarburos, como el reducir la necesidad de su consumo e incentivar la generación de fuentes alternas de energía menos contaminantes y más eficientes.

85 Hacia las energías renovablesSugerencia ¿Cómo sería la vida sin el petróleo como combustible?

86 Hacia las energías renovablesEn 1977, la revista Time pidió al escritor de ciencia ficción Isaac Asimov que describiera un mundo así. Asimov decidió situar su predicción veinte años en el futuro: en 1997. Lee a este excelente autor de ciencia ficción para que tengas una idea.

87 Utilizando la luz recién llegadaYa antes dijimos que la luz del Sol es la fuente natural de energía más importante sobre la Tierra. Una fuente de luz es aquella que emite radiación en el rango visible del espectro.

88 Utilizando la luz recién llegadaEs por ello que el Sol y las estrellas constituyen fuentes naturales de luz. Las fuentes artificiales son creadas por nosotros: la luz eléctrica, las lámparas de gas y las velas, entre otras.

89 Utilizando la luz recién llegadaEs importante destacar que el Sol, además de proporcionarnos luz en el estrechísimo intervalo visible, también nos irradia energía en un amplio intervalo de otras frecuencias.

90 Utilizando la luz recién llegadaLa energía radiante está constituida por un conjunto de radiaciones electromagnéticas llamado espectro electromagnético.

91 Utilizando la luz recién llegadaCada radiación posee una frecuencia, una longitud de onda y la misma velocidad de propagación en el vacío.

92 Utilizando la luz recién llegadaDe mayor a menor longitud de onda, las principales radiaciones son: ondas de radio, microondas, infrarrojo, visible, ultravioleta, rayos X y rayos γ.

93 Luz y energía Entender el concepto de energía relacionado con la luz tomó un tiempo importante en el desarrollo de la física y de la química. La naturaleza de la luz como energía, fue vislumbrada gracias a los aportes de la teoría de Max Planck.

94 Luz y energía En 1900, Planck expuso su teoría cuántica sobre la emisión y captación de la energía radiante, la cual estableció que la energía emitida o absorbida por un cuerpo es un múltiplo entero de un valor muy pequeño, al que denominó: cuanto de energía.

95 Luz y energía Los fotones o cuantos de energía fueron reconocidos gracias al trabajo realizado por Albert Einstein para encontrarle una explicación al efecto fotoeléctrico.

96 Luz y energía Los fotones tienen comportamiento dual: se propagan como una onda electromagnética e interactúan con otras partículas como si fueran corpúsculos portadores de energía.

97 Luz y energía De acuerdo con Planck, la energía de radiación (E) se relaciona con la longitud de onda mediante la ecuación: E = hc/λ

98 Luz y energía Puedes ver que mientras más pequeña es λ, mayor es la energía de la radiación.

99 Luz y energía Si en la ecuación E = hc/λ colocamos, por ejemplo, la longitud de onda más pequeña, la de las radiaciones γ (gamma), se obtiene el valor de energía más alto y es por ello que son tan peligrosas para el ser humano.

100 Luz y energía La radiación solar que llega a la superficie de la Tierra es el resultado de la acción filtrante de la capa de ozono, la cual elimina el componente energético por debajo de los 290 nm de longitud de onda.

101 Luz y energía Es así como la vida sobre nuestro planeta se mantiene en presencia de la radiación ultravioleta, visible e infrarroja.

102 Luz y energía La radiación ultravioleta del rango UV-B y UV-A en exceso puede resultar dañina produciendo, entre otras afecciones, cáncer de piel.

103 Luz y energía Sin embargo, la radiación ultravioleta también permite combatir trastornos depresivos, así como sintetizar vitamina D, importante para el crecimiento y la salud de los huesos.

104 La fotosíntesis La radiación visible es muy importante para la vida por su participación en la fotosíntesis.

105 La fotosíntesis La clorofila, responsable del color verde de las plantas, interactúa con fotones de luz visible y absorbe la energía que será utilizada en la transformación de CO2 y agua en glucosa y oxígeno, ambos esenciales para la vida sobre el planeta.

106 La fotosíntesis Es importante recordarte que la clorofila es verde pero no absorbe este color sino que lo refleja, por eso la vemos verde; el color que absorbe es el complementario del verde: el rojo.

107 La fotosíntesis Es este color el que se relaciona con la fotosíntesis, cuyo complejo proceso se puede resumir en la siguiente ecuación:

108 La fotosíntesis Ese proceso no está favorecido energéticamente porque es endotérmico, ni entrópicamente pues aumenta el orden (se obtiene un sólido formado por moléculas de glucosa muy ordenadas).

109 La fotosíntesis Esto significa, que para que la fotosíntesis ocurra se requerirá que el medio se desordene y así aporte la energía necesaria.

110 La fotosíntesis Además, es necesario que el sistema disponga de la forma de captar y manejar eficientemente esta energía para lograr el producto.

111 La fotosíntesis La mitad, aproximadamente, de la energía almacenada, va a ser consumida en la respiración del autótrofo y sólo la otra mitad estará disponible para continuar la cadena.

112 La fotosíntesis La radiación infrarroja y la microonda son las responsables de mantenernos calientes, ya que al contacto con la materia producen cambios que se traducen en liberación de energía térmica.

113 La fotosíntesis La variación en la incidencia de los rayos del Sol en diferentes estaciones del año, así como la duración de los días, determinan los cambios de temperatura que generan los vientos y éstos la energía eólica.

114 La fotosíntesis En la búsqueda de fuentes de energía menos contaminantes que las fósiles, se ha considerado la energía solar como una alternativa importante, siendo una de sus ventajas que es un recurso que no se agotará por varios miles de años.

115 La fotosíntesis Su mayor desventaja es la discontinuidad en la disponibilidad, ya que depende de las horas de luz del día y de las estaciones. Es por ello que se requieren dispositivos de almacenamiento para su uso nocturno.

116 Fuentes de energía En la actualidad hay numerosas áreas de investigación en Química relacionadas con la producción y aprovechamiento de la energía.

117 Fuentes de energía Entre ellas, sin duda alguna, la más importante y que ya está teniendo un impacto social en ciertos países, es el conjunto de investigaciones se está realizando para la generación y manejo de las celdas de combustible. Otra área importante es la Fotoquímica.

118 Fuentes de energía En muchas ocasiones se utilizan fuentes energéticas que producen radiaciones, las cuales pueden ocasionar cambios químicos denominados reacciones fotoquímicas.

119 Fuentes de energía Estas reacciones son eficientes y selectivas, y su aplicación, a nivel terapéutico o industrial, requiere el uso de fuentes de luz continua o pulsada como lámparas y/o láser.

120 Fuentes de energía Para que las reacciones fotoquímicas ocurran, es preciso que la luz sea absorbida, condición que sólo se consigue en ciertas moléculas con grupos funcionales capaces de absorber los fotones (cromóforos).

121 Fuentes de energía Así como los fotones pueden ser absorbidos y generar reacciones fotoquímicas, también algunas reacciones producen luz. La luminescencia es un proceso a través del cual en un material se produce radiación no térmica.

122 Fuentes de energía Ocurre por medios diferentes a la combustión.En este caso, los materiales absorben varios tipos de energía y una parte de la energía se emite como luz, proceso que ocurre en dos etapas:

123 Fuentes de energía La energía incidente hace que los electrones de los átomos del material absorbente se exciten y salten de las órbitas internas de los átomos a las órbitas exteriores. Cuando los electrones “caen” de nuevo a su estado original emiten luz. Cuando la luz se produce por reacciones químicas se llama quimiluminiscencia.

124 Interesante La bioluminiscencia es la luz que producen seres vivos tales como las luciérnagas y algunos mariscos y moluscos o algunas algas marinas.

125 Interesante En el caso de las luciérnagas la luz se produce por una reacción química entre el oxígeno del aire, una sustancia conocida como luciferina y la enzima luciferasa.

126 Interesante La fuente de energía para la reacción es el ATP (adenosintrifosfato). La luciérnaga emite luz con la finalidad de encontrar pareja. Lo interesante es que emite luz “fría”, lo que no hace una bombilla.

127 Colector de placa planaEn los procesos térmicos los colectores de placa plana interceptan la radiación solar en una placa de absorción por la que pasa el llamado fluido portador, aire, agua o agua y anticongelante.

128 Colector de placa planaÉste, en estado líquido o gaseoso, se calienta al atravesar los canales por transferencia de calor desde la placa de absorción. Son capaces de calentar fluidos portadores hasta 82°C y obtener entre el 40 y el 80 % de eficiencia.

129 Colector de placa planaSe usan para calentar agua y para calefacción. Los sistemas típicos para casa-habitación emplean colectores fijos, montados sobre el techo.

130 Interconversión entre energía química y energía eléctricaAsí como la luz puede producir reacciones y éstas a su vez generar luz, de igual manera la electricidad puede generar reacciones químicas, como ocurre en la electrólisis (descomposición de sustancias por acción de la electricidad), y de la misma forma las reacciones químicas pueden generar electricidad, como en las baterías de los coches.

131 Interconversión entre energía química y energía eléctricaTanto en la transformación de la energía eléctrica en energía química como en el caso inverso, el proceso se basa en una reacción redox.

132 Las reacciones redox Las reacciones redox o de oxidorreducción, consisten en que al menos un átomo pierde electrones (oxidación) y al menos otro los gana (reducción).

133 Las reacciones redox Así, el primero ocasionó la reducción del segundo, es un reductor, mientras que el segundo es un oxidante pues ocasionó la oxidación del primero. Parece un trabalenguas, pero tiene sentido.

134 Las reacciones redox Algo muy importante que debes tener en cuenta, es que el número de electrones ganados es exactamente igual al número de electrones perdidos. Las reacciones redox son más frecuentes de lo que crees.

135 Las reacciones redox Ya se han presentado muchas de ellas.Bastará un par de ejemplos. Comencemos con la formación del NaCl.

136 Las reacciones redox El cloro tiene una electronegatividad (avidez por los electrones) mucho mayor que el sodio, por lo que cuando se forma el NaCl, el átomo de cloro toma un electrón del átomo de sodio. Se forman el anión Cl- y el catión Na+.

137 Las reacciones redox El sodio sufrió una oxidación y el cloro una reducción, por lo que el cloro oxidó (es el oxidante) al sodio (el reductor).

138 Las reacciones redox La ecuación 2 Na + Cl2 → 2 NaCl,te dice que cada átomo de sodio perdió un electrón y que cada átomo de cloro ganó un electrón.

139 Las reacciones redox Es muy importante recordarte que la reacción de formación del NaCl es espontánea.

140 Las reacciones redox Si, por el contrario, quisieras descomponer el NaCl para obtener dicloro por electrólisis, entonces deberías suministrar energía. Puedes corroborar esto en la figura anexa sobre electrólisis.

141 Para pensar El átomo de oxígeno es más electronegativo que el de hidrógeno. Cuando el agua se forma a partir de dihidrógeno y dioxígeno, ¿qué átomo sufre la oxidación y qué átomo la reducción?, ¿qué átomo es el oxidante y qué átomo el reductor? La ecuación de formación del agua es 2 H2 + O2 → 2 H2O.

142 Para pensar La ecuación de formación del agua es: 2 H2 + O2 → 2 H2O.Si cada átomo de hidrógeno puede perder un electrón, ¿cuántos electrones puede ganar cada átomo de oxígeno? En el primer ejemplo se han formado iones, hubo una pérdida y ganancia real de electrones.

143 Para pensar La ecuación de formación del agua es: 2 H2 + O2 → 2 H2O.En el segundo ejemplo la cosa no ha llegado a tanto, ya que los electrones serán compartidos, y sólo estarán desplazados hacia el átomo más electronegativo. En el primer caso tendremos un enlace iónico y en el segundo un enlace covalente polar.

144 Energía eléctrica y trabajo a partir de la energía químicaLas reacciones de combustión de los combustibles fósiles son reacciones redox. En todas ellas los átomos de carbono son oxidados por los átomos de oxígeno, lo cual es de esperarse ya que el oxígeno es más electronegativo que el carbono. Lo mismo ocurre cuando respiramos o cuando lo hace una planta.

145 Energía eléctrica y trabajo a partir de la energía químicaEn la naturaleza, la reacción que representa la fotosíntesis también es redox, pero en ella ocurre lo contrario: ¡El elemento más electronegativo es el que pierde los electrones!, no en balde esta reacción requiere energía. Menos mal que habrá Sol durante muchos años. La transferencia de electrones es un proceso que involucra energía.

146 Energía eléctrica y trabajo a partir de la energía químicaEl movimiento de los electrones genera una corriente eléctrica. La reacción entre el Zn y una disolución acuosa de CuSO4 en un tubo de ensayo desprende energía, esto se debe a la transferencia de dos electrones del Zn al Cu2+. Sin embargo, como los electrones son entregados directamente no se produce electricidad, por lo que toda esa energía se pierde en forma de calor.

147 Energía eléctrica y trabajo a partir de la energía químicaJohn Frederic Daniels ( ) ideó una forma de entregar los electrones a través de un cable metálico. El movimiento de los electrones por el cable genera electricidad que puede ser utilizada para distintos fines: iluminar una bombilla, poner a funcionar un motor, etc.

148 Energía eléctrica y trabajo a partir de la energía químicaAsí, la energía química de la reacción es utilizada para producir un trabajo. Recuérdese que al electrodo donde ocurre la oxidación se le denomina ánodo y al electrodo donde ocurre la reducción se le denomina cátodo.

149 Celdas de combustible Este fundamento es el que ha permitido el diseño de las celdas de combustible. En ellas los electrones no se entregarían directamente de los átomos de carbono a los de oxígeno, permitiendo de esa manera obtener electricidad y poderla transformar en otras formas de energía.

150 Celdas de combustible Sin embargo, aún quedaría el problema de la cantidad de CO2 que se produce en la reacción que, entre otros problemas, genera el efecto invernadero.

151 Celdas de combustible Un combustible muy especial sería el hidrógeno (H2) ya que su reacción con el oxígeno (O2) produce sólo agua además de generar una gran cantidad de energía, aunque es inevitable una pérdida apreciable en forma de calor.

152 Celdas de combustible Esta celda produce cerca de 280 kJ de energía por cada mol de agua que se forma. De esa cantidad, alrededor de un 30 % se pierde en forma de calor. Al final habrá ocurrido una combustión muy apacible, sin que el combustible arda.

153 Celdas de combustible Finalmente vale la pena destacar a los protagonistas de la producción de esa energía vital para el macromundo, los cuales más micro no han podido ser: protones, neutrones, núcleos, fotones, electrones y otras partículas fundamentales.

154 Celdas de combustible Ellos son los responsables de casi todo lo que ocurre, no podría escapar de esto la energía.

155 Los nuevos paradigmas Desde los años 70 del siglo pasado se han ido cambiando los paradigmas relacionados con la energía, materias primas y el medioambiente con la finalidad de evitar una sobreexplotación de la naturaleza y su consecuente degradación.

156 Los nuevos paradigmas Los altos precios de la energía y las materias primas, así como el impacto ecológico de las tecnologías, han llevado a aplicar y difundir medidas para ahorrar energía, reciclar materiales, considerar subproductos y valorar al ser humano, pues cada uno de nosotros tiene, en mayor o menor grado, la responsabilidad de cuidar el ambiente.

157 ¿Sabías que...? A fines del siglo XIX se inició el proceso de “descarbonización”, que no es más que la reducción del número de átomos de carbono con relación a los átomos de hidrógeno en los combustibles. La leña, que durante siglos fue el gran combustible de la humanidad, posee 10 átomos de carbono por cada átomo de hidrógeno. En el carbón la proporción es de 2 a 1.

158 ¿Sabías que...? Por su parte, en el petróleo hay 0,5 átomos de carbono por cada uno de hidrógeno, y en el gas natural se alcanza una proporción de 0,25 a 1 (un átomo de carbono por cada 4 de hidrógeno). Hace 150 años, un personaje de la novela La isla misteriosa, de Julio Verne, dijo: “el agua será el carbón del futuro”.

159 ¿Sabías que...? De la electrólisis del agua podemos obtener el que se considera será el gran combustible a mediados de este siglo: el hidrógeno. Así tendremos, a diferencia del petróleo, no sólo una fuente energética renovable sino un combustible que al no tener carbono elimina el problema de contaminación que ha venido generando el CO2. Antes de que sea tarde, muchos países deberían prepararse ya para estos cambios en los patrones energéticos mundiales.