Fisicoquímica y magnetoquimica

Revista Colombiana de Física, vol. 10
, 2/06/2010
Fisicoquímica y magnetoquímica
physico-chemical and magnetic-chemical
Leonardo Bravo Espejo1
1químico
puro
Resumen
En la física y en la química existen campos de desintegración matemática, teórica y experimental. En este
caso, integraremos dos campos difíciles y básicos para cada una de las áreas en cuestión. La
fisicoquímica o estudio de los procesos físicos desde un análisis termoquímico y termodinámico, y el
magnetismo, que aun que no es una ciencia, es un fenómeno de ley universal, como la atracción y la
repulsión. Nuestro objetivo será la unificación y la relación entre la temperatura, la entropía, la entalpia y
las energías libres en función de los campos magnéticos externos e internos. Se nos dificultará dar
explicaciones matemáticas pero los conceptos al final de la investigación serán lo suficientemente claros
para darnos una idea de la importancia de la unificación de estos dos conceptos para el desarrollo de los
superconductores y de la tecnología avanzada, así mismo el desarrollo de teorías y la confirmación de
conceptos físicos y químicos.
Palabras claves: magnetismo, termoquímica, termodinámica, campos, entropía, entalpia, energía.
abstract
In the physics and chemistry fields of mathematical disintegration, theoretical and experimental exist. In
this case, we will integrate two difficult and basic fields for each one of the areas at issue. Physicochemical or the study of the physical processes from a thermo-chemical and thermodynamic analysis, and
the magnetism, that even that is not a science, is a phenomenon of universal law, like the attraction and
the repulsion. Our objective will be the unification and the relation between the free temperature, entropy,
enthalpy and energies based on the external and internal magnetic fields. One will become difficult to give
mathematical explanations to us but the concepts at the end of the investigation will be sufficiently clear to
give us to an idea of the importance of the unification of these two concepts for the development of
superconductors and the technology outpost, also the development of theories and the confirmation of
physical and chemical concepts.
Key words: magnetism, thermochemistry, thermodynamics, fields, entropy, enthalpy, energy.
Introducción:
La investigación es un proceso por el cual
queremos descubrir ciertas cosas indescriptibles
o inexplicables, darnos respuestas, razonar de
una forma diferente algunos temas de interés,
así se genera desarrollo y se crean paradigmas
de los cuales podemos generar ciencia crear
respuestas. Nosotros intentaremos darnos
respuestas a los efectos de los campos
magnéticos sobre energías universales como la
entalpía “𝐻” (energía transferida en forma de
calor a los alrededores o viceversa), entropía “𝑆”
(energía que dictamina o que da parámetros a la
espontaneidad de procesos), energías libres
“𝐺; 𝐻” (energía que se puede usar como trabajo,
además es un criterio de direccionalidad en
procesos químicos). Obviamente estudiaremos
el cambio de cada una de ellas puesto que se
hace irracional calcular su valor absoluto con las
leyes de la termodinámica. Nuestro segundo
problema a tratar son los campos magnéticos y
las interacciones atómicas o magnetoquímica.
Se cree que inicio con Paul Langevin en 1905
para explicarse diamagnetismo (tendencias de
las cargas eléctricas a apantallar el interior de
un cuerpo con respecto a un campo magnético
externo) y el paramagnetismo (es la tendencia
de los momentos magnéticos libres (espín u
orbitales) a alinearse paralelamente a un campo
magnético). Para comprender estos términos
anteriores se necesita un conocimiento previo
de las interacciones cuánticas ejercidas y
modelos matemáticos claros, de modo pues que
solo estudiaremos el diamagnetismo, puesto
que el momento magnético en un material
paramagnético es no nulo y dependerá de la
constante de Curie y de la temperatura. La
aplicación de campos magnéticos para el
descubrimiento de leyes universales es algo a lo
que nos debemos acostumbrar como científicos.
De este modo intentaremos introducir todo
nuestro conocimiento matemático, químico y
físico para la comprensión de este tema tan
complicado y extenso pero que al mismo tiempo
nos genera un mundo nuevo lleno de nuevas
teorías y experiencias. Así pues los invito a que
indaguemos sobre la fisicoquímica con campos
magnéticos y la magnetoquímica y el desarrollo
que puede llegar a generar.
Fisicoquímica y campos magnéticos:
La fisicoquímica le da al científico la certeza de
que lo que está haciendo es viable
químicamente, la cuestión está en cómo esta
viabilidad se ve afectada por campos
magnéticos externos. Como la entropía y la
entalpia puede cambiar si están sumergidos en
un campo magnético. Para empezar debemos
tener claro que la entropía la podemos definir
como el desorden molecular, a mayor desorden
haya mayor será la entropía y así mayor la
espontaneidad del proceso. Si cuando se aplica
un campo magnético externo a un material
ferromagnético, a una temperatura cercana a su
temperatura de transformación de fase
magnética (temperatura de Curie), los
momentos magnéticos de los electrones
desapareados del nivel 3d (para hierro, níquel y
cobalto) o del nivel 4f (para los lantánidos) se
alinean paralelos a la dirección de la inducción
del campo magnético aplicado. Esta alineación
disminuye la entropía del material. Cuando se
retira el campo magnético aplicado, los
momentos magnéticos de los electrones se
orientan libremente aumentando la entropía
como
se
ve
en
la
figura
1
procesos de cambio de temperatura adiabático y
dos procesos de cambio de entropía isotérmico.
Esto permite estudiar directamente las
manifestaciones del efecto magnetocalórico. La
aplicación del ciclo de Carnot se restringe a
temperaturas inferiores a 20K, debido al
aumento de la capacidad de energía en forma
de calor con el aumento de la temperatura. Al
aumentar la capacidad de energía en forma de
calor disminuye el efecto magnetocalórico y
aumenta la energía necesaria para cambiar el
orden magnético del material. El intervalo de
temperaturas de operación está limitado por el
cambio
de
temperatura
adiabático
a
temperaturas inferiores a 22K.
∆𝐻𝐵1
∆𝑆𝑀 (𝑇)𝑝,∆𝐵 = [
𝑇𝑝𝐵1
−
∆𝐻𝐵2
𝑇𝑝𝐵2
]Ec 2
Integrando entre los límites de la temperatura 1
afectada por el campo magnético B1 y 2
afectada por el campo magnético B2 y
remplazando el valor de la entalpia en términos
de la capacidad calorífica tenemos:
𝑇
∫𝑇 𝑃,𝐵2 [
[𝐶(𝑇)𝐵1 −𝐶(𝑇)𝐵2 ]
𝑇
𝑃,𝐵1
] Ec 3
De este modo la temperatura es una funcion
que depende de el campo magnetico externo.
Una aplicación breve de esto, se encuentra en
las neuronas:
El campo magnetico en las neuronas es
𝐵𝑟 =
Figura 1
. La magnetización y desmagnetización del
material
ferromagnético,
a
temperaturas
cercanas a la temperatura de transformación
magnética, favorecen el carácter reversible del
proceso debido a los continuos cambios en el
orden magnético, de modo tal que el campo
magnético interno cambia de la forma:
𝜇
( 0 )(𝐼𝜆 𝑋 𝑅𝑒𝑟 )
4𝜋
𝑅3
Ec 4
De modo tal que si la dendrita o el dipolo (e r) es
perpendicular al craneo produce un campo
magnetico externo.
Ya vimos el campo magnetico en forma macro
ahora entra lo interezante, lo veremos de forma
micro, una de las formas mas dificiles de
comprender, para este objetivo tocaremos las
definiciones a grosomodo de paramagnetismo y
diamagnetismo.
𝑇 2
𝐵𝑐 (𝑇) ≅ 𝐵0 (1 − ( ) ) Ec 1
𝑇𝑐
La temperatura crítica Tc sólo es aplicable en
ausencia de campo magnético. Cuando
aplicamos un campo magnético la sustancia
alcanzará el cambio de fase al estado normal a
temperaturas inferiores a la crítica, y cuando el
campo H es igual o superior a un campo H0, la
muestra no estará en estado superconductor ni
siquiera en el cero absoluto. Una aplicación de
este modelo matemático es el refrigerador
magnetocalórico, que pude trabajar como un
ciclo de Carnot o un motor de Stirling con
procesos de enfriamiento supremamente
rápidos. El ciclo de Carnot se realiza en dos
Magnetoquimica:
para explicarnos el diamagnetismo debemos
enfocarnos en los átomos, eletrones, núcleos y
fuerzas de interacción magnetica. Incluiremos
un nuevo termino que es el momento magnetico
(es una medida de la fuerza de la red del
sistema fuente magnética. Específicamente,
momento de dipolo magnético cuantificando la
contribución del magnetismo interno del sistema
al externo) asi que iniciamos con el electron
alrededor del nucleo, cumpliendo ciertas leyes
fisicas como la fuerza centripeta, la velocidad, la
longitud de arco, vista en la figura 2. Como lo
que nos intereza es las fuerzas atómicas que se
ejercen sobre el nucleo y las implicaciones de
campos magneticos sobre ellos, realizamos el
siguiente analisis matematico:
Grafica 2
Si suponemos una particula de carga q a una
distancia r del núcleo con una fuerza centripeta
𝑚𝑣02
= 𝐹𝑐𝑒𝑛 si le aplicamos un campo magnetico
→ inducimos un → que viene a ser perpendicular
𝑟
𝐵
𝐸
al campo magnetico, de esta forma pdemos
calcular el flujo electrico que pasa entre el
𝑑𝛷
electron y el nucleo
= − ∫ 𝐸𝑑𝑙 de modo que
𝑑𝑡
𝑟𝑑𝐵
en conclucion tenemos 𝐸 =
si agregamos la
2𝑑𝑡
fuerza que siente la particula sabiendo que es
Eq tenemos usando calculo vectorial:
∆𝑣 =
𝑞𝑟∆𝐵
2𝑚
.
El cambio de velocidad de una particula
depende de la carga, de el radio de separacion
con el centro de atraccion o repulcion, del
cambio de campo magnetico inducido y de la
masa. A mayor masa, menor es la velocidad. De
este modo podemos calcular el radio de la
trayectoria circular de una particula en un campo
magnetico conociendo su velocidad.
La investigación teórica incluye el desarrollo y
perfeccionamiento de modelos que describan el
intercambio magnético o la transferencia
electrónica (en compuestos de valencia mixta).
Algunos de estos modelos son muy simples y
generales como las reglas de GoodenoughKanamori para predecir si la tendencia de una
interacción magnética va a ser hierro o
antiferromagnética según el ángulo de enlace y
la disposición de los orbitales. Otros modelos
son bastante más sofisticados.
Muchos estudios teóricos de la magnetoquímica
requieren del uso de herramientas de mecánica
cuántica o de modelos hamiltonianos (con la
ayuda de la tecnología de ordenadores).
También es de gran ayuda el estudio de series
de compuestos de química de coordinación o
polioxometalatos, para el establecimiento de
correlaciones magneto estructural.
Concluciones:
podemos concluir que la aplicación de un
conocimiento a uno que se nos facilita mucho
más puede hacernos entender mucho mejor el
tema en cuestion. Ademas de eso podemos
comprender la gran importancia de los campos
magnéticos inducidos en la química cuántica y
en los prosesos fisicoquímicos. Primeramente,
las energías libres, la entalpía y la entropía
pueden cambiar con campos magnéticos puesto
que atómicamente se pueden generar cambios.
Ademas de eso usando el campo magnético
tambien podemos calcular la entropía de un
sistema y como si fuera poco, se puede mejorar
la conductividad de un elemento conductor
cambiando la temperatura y aplicando un campo
magnético. Segundo, podemos iniciar un camino
supremamente largo en la quimica cuantica,
puesto que sus aplicacines son infinitas y
paradigmáticas, ademas de edso podemos
calcular las fuerzas entre un átomo y otro y con
ello calcular la energía de enlace de dos átomos
y hasta electrones.
Finalmente, debemos de tener en cuenta la
importancia de los campos magneticos
inducidos y los campos electricos inducidos,
puesto que el cambio de ellos puede generar un
cambio macroscópico y con ello un nuevo
avance en la ciencia.
Referecias y bibliografia:

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


Fisicoquímica “levine” edicion 5º
http://www.cofis.es/pdf/fys/fys10/fys10_
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http://es.wikipedia.org/wiki/Magnetoqu
%C3%ADmica
http://www1.ceit.es/asignaturas/PFM_M
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http://www.monografias.com/trabajos65
/termodinamica-refrigeracionmagnetica/termodinamicarefrigeracion-magnetica2.shtml