La Energía, contribuciones y cuantización

El concepto central de todas las explicaciones en físico-química, como en muchas otras clases de ciencias de los fenómenos naturales, es el de energía. De una forma general, energía es la capacidad de realizar trabajo. También se debe utilizar de la ley aparentemente universal de la naturaleza de que la energía es conservada, o sea, no puede ser creada o destruida.

Además de eso, a pesar de ser posible transferir la energía de un lugar hacia otro (como cuando la electricidad que es generada en una usina eléctrica calienta la resistencia de nuestra cocina a miles de kilómetros y nos permite calentar el agua por ejemplo), la energía total en el sistema es constante.

Contribuciones para la energía

Existen dos contribuciones para la energía total de un sistema por la materia que el contiene. La energía cinética (K) de un cuerpo es la energía que él posee como resultado de su movimiento. Para un cuerpo de masa m viajando a una velocidad v, la energía cinética es 1/2(mv2); entonces un cuerpo “pesado” viajando rápidamente tiene una elevada energía cinética. Un cuerpo en reposo tiene energía cinética igual a cero. La energía potencial de un cuerpo es la energía que el posee como resultado de su posición.

El cero de la energía potencia es arbitrario. Por ejemplo, el cero de la energía potencial gravitatoria de un cuerpo es convenientemente colocado sobre la superficie de la Tierra; la energía potencial eléctrica de dos partículas cargadas es tenida como cero cuando la distancia que la separa es infinita.

Ninguna expresión para la energía potencial puede ser postulada porque ella depende del tipo de interacción que el cuerpo experimenta. En tanto, existen dos tipos muy comunes de interacción que proveen expresiones simples para la energía potencial. Una es la energía potencial de un cuerpo de masa m en un campo gravitatorio próximo a la superficie de la Tierra (un campo gravitatorio actúa sobre la masa del cuerpo). Si un cuerpo está a una cierta altura h de la superficie de la Tierra, entonces su energía potencial será mgh, donde g es una constante llamada de aceleración de caída libre (g = 9,81 m s-2 próximo a la superficie de la Tierra).

También, de gran importancia para la química es la energía potencial de dos cuerpos eléctricamente cargados cuando próximos uno del otro (un campo eléctrico actúa sobre la carga que  el cuerpo posee). Si una partícula (un cuerpo con masa puntual) de carga q1 está a una distancia r en el vacío de otra partícula con carga q2, entonces su energía potencial será dada por la expresión V = (q1.q2)/(4p E0r).

La constante E0 es la permisividad del vacío, una constante fundamental de valor 8,85 X 10-12 C2J-1m-1. Es importante resaltar que V = 0 cuando la separación entre las partículas es infinita.

Esa importante relación es llamada como energía potencial de Coulomb y la interacción que ella describe es llamada de interacción culómbica de dos cargas. La interacción culómbica es importante en la química debido a la constante necesidad de lidiarse con interacciones entre las cargas de electrones, núcleos e iones.

La unidad de medida de energía en el Sistema Internacional (S.I.) es el Joule, que es definido como 1 J = 1 kg m2s-2.

La Cuantización de la Energía

La gran revolución en la física que ocurrió en las primeras décadas del siglo 20 y que introdujo la mecánica cuántica fue de crucial importancia para la química. La química está ocupada con el comportamiento de las partículas subatómicas, particularmente con los electrones y es esencial que se utilice la mecánica cuántica cuando se lidia con partículas tan diminutas.

La propiedad de la mecánica cuántica que la distingue de la mecánica clásica de Newton y sus inmediatos sucesores es el comportamiento ondulatorio de la materia, esto es, al inverso de partículas y ondas constituirse en entidades diferentes, las partículas tienen algunas de las propiedades de las ondas y las ondas tienen algunas propiedades de partículas.

Por ejemplo, si una partícula tiene un movimiento lineal p (el producto de su masa por su velocidad, p = mv), entonces según la mecánica cuántica ella también tiene (en cierto sentido) en largo de onda lambda de acuerdo con la relación de Broglie donde lambda = h/p, donde h es la constante de Planck, una constante fundamental cuyo valor es 6,6 X 10-34 J s.

Otra propiedad de la mecánica cuántica es que la energía es cuantizada, o confinada a ciertos valores discretos. Esos estados de energía son llamados niveles de energía y sus valores dependen de las especies químicas.

La cuantización de la energía es más importante, en el sentido en que las energías permitidas están muy alejadas, para partículas con pequeñas masas confinadas a pequeñas regiones en el espacio.

Consecuentemente, la cuantización es muy importante para los electrones en los átomos y moléculas, pero normalmente no tiene relevancia para los cuerpos macroscópicos.