lunes, 9 de agosto de 2021

4. La ley de la conservación de la carga | ♎ Balance de masa y carga | Joseleg

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La carga eléctrica es la propiedad física de la materia que hace que experimente una fuerza cuando se coloca en un campo electromagnético. Hay dos tipos de carga eléctrica por polaridad: positiva y negativa (comúnmente transportada por protones y electrones respectivamente).

Las cargas iguales se repelen entre sí y las cargas diferentes se atraen entre sí. Un objeto con ausencia de carga neta se denomina neutral. El conocimiento temprano de cómo interactúan las sustancias cargadas ahora se denomina electrodinámica clásica y sigue siendo preciso para problemas que no requieren la consideración de efectos cuánticos.

La unidad de carga eléctrica derivada del SI es el culombio (C) que lleva el nombre del físico francés Charles-Augustin de Coulomb. En ingeniería eléctrica también es común utilizar el amperio-hora (Ah).

La conservación de la carga fue propuesta por primera vez por el científico británico William Watson en 1746 y el estadista y científico estadounidense en 1747, aunque la primera prueba convincente fue dada por Michael Faraday en 1843.

La ley de la conservación de la carga se debe mantener ya sea en la interpretación de partículas o en la interpretación de cuerpos. Adicionalmente para no caer en la paradoja del Sorites (Vlaardingerbroek, 2012), entenderemos como cuerpo a la agrupación de dos partículas semejantes hasta la agrupación de todas las partículas semejantes en el universo, aunque lo común para un cuerpo sea entenderlo como la cantidad de partículas cercana a un número de Avogadro,  o a órdenes de magnitud cercanos al número de Avogadro.

Una de las principales dificultades para poder entender la carga es que existen varias variables para describirla dependiendo de la situación.

👉 La carga (Q) medida en culombios (C).

👉 La carga de una partícula (q) medida en culombios (C).

👉 La carga molar (F) medida en culombios sobre mol (C/mol).

👉 La constante de carga relativa (z) adimensional.

👉 El estado de oxidación (OS) adimensional, que normalmente representaremos con el parámetro (z) para simplificar las ecuaciones.

👉 Equivalente (e) medido en equivalentes (eq)

👉 Equivalente molar (em) medido en equivalentes sobre mol (eq/mol)

Constantes de carga

👉 La carga de Faraday (Qe) de valor 96485 C

👉 La constante de carga elemental (qe) de valor 1,602 x 10-19 C.

👉 La constante de Faraday (Fe) de valor 96485 C/mol

👉 La constante de carga relativa (ze) de valor 1.

👉 Constante de equivalencia (ee) de valor 1 eq.

👉 Constante de equivalencia molar (em) de valor 1 eq/mol.

Cómo se pueden dar cuenta en la Ecuación 4.6 tenemos que el parámetro de carga relativa (z) se puede calcular a través de otros parámetros diferentes, en consecuencia, es el parámetro de carga que normalmente emplearemos en los ejercicios de lápiz y papel en el contexto de química básica o química general

Podemos emplear las cargas ya sean de partículas o de cuerpos como variables de estado, es decir, donde lo que nos interesa es la relación entre un momento inicial y otro final. En ese orden de ideas establecemos que, la ley de la conservación de la carga para un sistema cerrado establece que la carga se conserva.

Durante nuestra discusión sobre los modelos atómicos físicos, llegamos a un punto después de discutir el modelo del núcleo atómico, y fue el hecho de que, para los químicos, existen varios tipos de modelos atómicos relevantes.

Modelo de planetario con representación de las partículas del núcleo de berilio.

Figura 41.  Modelo de planetario con representación de las partículas del núcleo de berilio.

Para este punto de nuestra discusión el modelo del átomo que requerimos tener en cuenta es el átomo planetario de Rutherford-Bohr más el modelo del núcleo atómico de protones más neutrones de Chadwick (Figura 41).

En este modelo del átomo tenemos 3 partículas que lo componen, los protones, los electrones, y los neutrones. La carga de un solo protón es (q(pr) = 1,602 x 10-19 C), mientras que la carga de un solo electrón es su inverso (q(el) = 1,602 x 10-19 C). Adicionalmente los físicos han establecido que la carga de un solo protón es igual a una de las constantes fundamentales del universo de la física, y la denominan la constante de carga elemental, con un símbolo especial (qe). dado lo anterior podemos establecer la relación entre carga de un protón, carga de un electrón, y la constante de carga elemental de la siguiente forma:



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