Menú de Química

Buscar este blog

Translate

domingo, 6 de julio de 2025

Ejercicios de química resueltos. Termoquímica. Alimentos y combustibles. Brown 15ed. Muestra 5.14a

(a) Una porción de 28 g de un cereal popular para el desayuno, servido con 120 mL de leche descremada, proporciona 8 g de proteína, 26 g de carbohidratos y 2 g de grasa. Usando los valores energéticos promedio de estas sustancias, estima el valor energético de esta porción.

Etapa analítica

Usaremos el teorema Valor de combustible por porción combinado con el teorema Valor de combustible de una mezcla de alimentos, y la tabla de valores de combustible.

Este teorema es simplificable ya que w = mi/m, por ende.

Proteína 17.0 kJ/g, Grasa 38.0 kJ/g, Carbohidratos 17.0 kJ/g, por ende las masas de proteína y carbohidrato se pueden unificar a 34.0 g en su interpretación algebraica.

Etapa numérica por teoremas

Recuerda que las unidades en sumatorias salen como factor común.

Etapa numérica por factor de conversión

Brown, T. L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P. M., Stoltzfus, M. W., & Lufaso, M. W. (2022). Chemistry: The central science (15th ed.). Pearson.

Ejercicios de química resueltos. Termoquímica. Alimentos

[Termoquímica de alimentos]

Los ejercicios sobre valores energéticos de alimentos y combustibles permiten aplicar principios de la termoquímica a situaciones cotidianas, como la alimentación o el uso de energías fósiles. Al relacionar la energía liberada en reacciones químicas con unidades como kilojulios (kJ) o calorías, se desarrollan habilidades para estimar el aporte energético de nutrientes o el rendimiento de distintos compuestos orgánicos. Estos problemas también abordan conceptos como entalpía de combustión, formación de productos y eficiencia energética, y son útiles para comprender tanto el metabolismo humano como la utilización industrial de combustibles. Su resolución requiere interpretar datos químicos y aplicar relaciones estequiométricas con sentido práctico.

Química de Brown

15ed. Muestra 5.14
(a) Una porción de 28 g de un cereal popular para el desayuno, servido con 120 mL de leche descremada, proporciona 8 g de proteína, 26 g de carbohidratos y 2 g de grasa. Usando los valores energéticos promedio de estas sustancias, estima el valor energético de esta porción.
(b) Una persona de peso promedio utiliza aproximadamente 420 kJ por kilómetro al correr o trotar. ¿Cuántas porciones de este cereal proporcionan la energía necesaria para correr 3 km?

15ed. Práctica 5.14
(a) Los fríjoles rojos secos contienen 62% de carbohidratos, 22% de proteína y 1,5% de grasa. Estima el valor energético de estos fríjoles.
(b) Durante una actividad muy ligera, como leer o ver televisión, un adulto promedio gasta aproximadamente 7 kJ por minuto. ¿Cuántos minutos de esa actividad pueden sostenerse con la energía proporcionada por una porción de sopa de pollo con fideos que contiene 13 g de proteína, 15 g de carbohidratos y 5 g de grasa?

15ed. Ejercicio 5.46
(a) Una porción de una comida lista para servir de arroz integral con arroz salvaje contiene 4,5 g de grasa, 42 g de carbohidratos y 4,0 g de proteína. Estima el número de calorías en una porción.
(b) Según su etiqueta nutricional, esta comida también contiene 140 mg de iones potasio. ¿Crees que el potasio contribuye al contenido calórico del alimento?

15ed. Ejercicio 5.47
El calor de combustión de la fructosa (C₆H₁₂O₆) es -2812 kJ/mol. Si una manzana fresca Golden Delicious que pesa 120 g contiene 16,0 g de fructosa, ¿cuál es el contenido calórico que aporta la fructosa a la manzana?

15ed. Ejercicio 5.48
Las entalpías estándar de formación del proquino (C₃H₄), propeno (C₃H₆) y propano (C₃H₈) en estado gaseoso son +185,4, +20,4 y -103,8 kJ/mol, respectivamente.
(a) Calcula el calor liberado por mol en la combustión de cada sustancia para dar CO₂(g) y H₂O(g).
(b) Calcula el calor liberado al quemar 1 kg de cada sustancia.
(c) ¿Cuál es el combustible más eficiente en términos de calor liberado por unidad de masa?

15ed. Ejercicio 5.101
(a) ¿Qué libera más energía al metabolizarse: 1 g de carbohidratos o 1 g de grasa?
(b) Un determinado snack de papas contiene 12% de proteína, 14% de grasa y el resto es carbohidrato. ¿Qué porcentaje del contenido calórico de este alimento proviene de la grasa?
(c) ¿Cuántos gramos de proteína proporcionan el mismo valor energético que 25 g de grasa?

15ed. Ejercicio 5.102
Una hamburguesa contiene 28 g de grasa, 46 g de carbohidratos y 25 g de proteína. ¿Cuál es el valor energético en kJ de una hamburguesa? ¿Cuántas calorías aporta?

15ed. Ejercicio 5.103
El calor de combustión del etanol (C₂H₅OH, líquido) es -1367 kJ/mol. Una botella de cerveza stout (cerveza oscura) puede contener hasta un 6,0% de etanol en masa. Suponiendo que la densidad de la cerveza es 1,0 g/mL, ¿cuál es el contenido calórico debido al alcohol (etanol) en una botella de 500 mL?

15ed. Ejercicio 5.104
Es interesante comparar el “valor energético” de un hidrocarburo en un mundo hipotético donde el agente oxidante no es el oxígeno. La entalpía de formación del CF₄(g) es -679,9 kJ/mol. ¿Cuál de las siguientes dos reacciones es más exotérmica?

CH₄(g) + 2 O₂(g) → CO₂(g) + 2 H₂O(g)
CH₄(g) + 4 F₂(g) → CF₄(g) + 4 HF(g)

Fuentes de energía en el mundo




La civilización moderna sigue dependiendo abrumadoramente de los combustibles fósiles para su energía. A nivel mundial, cerca del 82 % del consumo energético primario proviene del petróleo, gas natural y carbón. El petróleo es el mayor contribuyente individual, con más del 32 %, siendo esencial para el transporte y la industria. El gas natural soporta la generación eléctrica y la calefacción, y el carbón sigue siendo vital para la producción eléctrica y la industria pesada global. Esta profunda dependencia subraya los desafíos ambientales y la urgencia de una transición energética.

A pesar del rápido crecimiento de las energías renovables —como la solar, eólica, hidráulica y la biomasa—, estas apenas alcanzan el 15 % del consumo global de energía primaria. La energía nuclear, basada en reacciones de fisión controlada de elementos como el uranio-235, representa cerca del 10 % de la electricidad mundial. En conjunto, el planeta se mantiene anclado en reacciones de combustión y procesos termoquímicos intensivos en carbono, lo que evidencia que el avance de los sistemas energéticos bajos en carbono aún es lento y enfrenta obstáculos significativos para una descarbonización efectiva a escala global.

Estados Unidos

En Estados Unidos, la matriz energética de 2022 mostró una fuerte dependencia de fuentes fósiles, con un 79 % del consumo energético primario proviniendo de estas. El petróleo lideró el consumo con más de 35.8 quads (cuatrillones de BTU), seguido por el gas natural con 33.4 quads, mientras el carbón continuó su declive. Esta predominancia se entrelaza con una idiosincrasia automotriz estadounidense notable: una preferencia arraigada por vehículos grandes, potentes y ruidosos, como SUVs y camionetas. Tal elección, más allá de lo funcional, se asocia a un estilo de vida que eleva drásticamente el consumo de petróleo en la movilidad, reflejando valores percibidos de libertad, estatus y una cierta ostentación.

Esta preferencia vehicular se vincula a menudo con ideologías de partido, donde su posesión puede alinearse con posturas conservadoras y una resistencia a las regulaciones ambientales. Existen también asociaciones de género, percibiendo estos vehículos como símbolos de masculinidad. Aunque las energías renovables alcanzaron un récord de 13.2 quads (con fuerte crecimiento solar y eólico) y la energía nuclear, basada en la liberación de calor por la ruptura del núcleo atómico, se mantuvo en 8.0 quads, la transformación energética estadounidense sigue anclada en reacciones exotérmicas intensivas en carbono. La movilidad, influenciada por estas arraigadas preferencias culturales y sociopolíticas, representa un obstáculo significativo que ralentiza la descarbonización del país.

Europa

La Unión Europea, pese a sus esfuerzos verdes, mantiene una matriz energética con más del 67 % de fuentes fósiles, incluyendo un 20.4 % de gas natural. Científicamente, el gas es menos emisor de CO₂ que el carbón, pero las fugas de metano en su cadena de valor lo hacen ambientalmente controvertido. A pesar de esto, se vendió y percibió como una alternativa "más verde", lo que generó una fuerte dependencia del gas importado, notablemente de Rusia, creando una vulnerabilidad geopolítica para Europa.

La energía nuclear (11.8% del consumo UE, 70% electricidad en Francia) es altamente eficiente y sin emisiones de CO₂ durante su operación. Sin embargo, enfrenta la percepción pública por los riesgos de accidentes y, crucialmente, por la gestión de residuos de alta actividad con vida media prolongada, como el cesio-137 y el estroncio-90. Su complejidad radica en este balance entre beneficios climáticos y los desafíos persistentes de seguridad y residuos.

Esta matriz energética se ve profundamente complejizada por la dependencia de la UE de fuentes externas. El gas natural llega mayoritariamente de Rusia, mientras que el uranio para la energía nuclear a menudo proviene de regiones como el Sahel. Estas dependencias plantean desafíos significativos para la seguridad de suministro energético y la autonomía estratégica del continente, generando una vulnerabilidad inherente en un panorama geopolítico inestable.

Pese al crecimiento de las energías renovables (alrededor del 23% del consumo bruto UE, y más del 50% de la demanda eléctrica en 2024), la necesidad de asegurar estos recursos externos es crucial. Esto plantea cuestionamientos sobre si Europa debe mantener sus arraigados lineamientos pacifistas o si la seguridad energética exige rearmarse y reevaluar su postura global. Intensificar tratados comerciales en un mundo multipolar podría requerir una postura más asertiva o incluso imperialista para salvaguardar sus intereses, redefiniendo sus relaciones exteriores.

China

China combina un gran consumo de energía con una fuerte inversión en transformación. Su matriz eléctrica, sin embargo, sigue dominada por el carbón, que genera casi el 60 % de su electricidad. Este proceso implica reacciones de oxidación completa del carbono, resultando en significativas emisiones de dióxido de carbono (CO₂) y óxidos de azufre. No obstante, China lidera globalmente en capacidad instalada de energías limpias, con más del 53 % de su infraestructura eléctrica proveniente de fuentes no fósiles. Su rápida expansión en paneles solares y aerogeneradores la convierte en el mayor productor mundial de celdas fotovoltaicas, donde el silicio se transforma mediante dopaje químico para generar diferencia de potencial por efecto fotoeléctrico.

A pesar del avance renovable, el crecimiento de la demanda ha obligado a China a reactivar plantas térmicas. Sin embargo, el país también progresa en reactores nucleares de tercera generación y en el desarrollo de almacenamiento de energía por baterías de litio, esenciales para la movilidad eléctrica. En paralelo, China ha implementado una estrategia geopolítica que algunos analistas califican de neo-imperialista, recordando tácticas de la Guerra Fría. Esta implica la financiación masiva de infraestructuras críticas en naciones en desarrollo. La contrapartida es que, si los préstamos no se pagan, China busca acceso o control directo sobre recursos estratégicos, especialmente energéticos, de los países endeudados.

Esta táctica china, si bien modernizada, guarda similitudes con estrategias pasadas de control de recursos y expansión de influencia, como las empleadas por Estados Unidos durante la Guerra Fría, donde la ayuda financiera a menudo venía con condiciones que aseguraban beneficios geopolíticos. Resulta notable que la Unión Europea y Estados Unidos hayan señalado esta práctica china, incurriendo en lo que muchos perciben como un fragrante acto de hipocresía dada su propia historia. No obstante la verdad de las acusaciones, esta dinámica redefine el control de recursos y las relaciones de poder en un mundo multipolar, abriendo complejos debates sobre soberanía, dependencia y las verdaderas intenciones detrás de la cooperación internacional.

América latina

América Latina, a pesar de su vasta riqueza en recursos fósiles, presenta un perfil eléctrico notablemente más limpio que otras regiones. Aunque entre el 60 % y el 70 % de su consumo energético total sigue siendo fósil, alrededor del 60 % de su electricidad se genera con fuentes renovables, principalmente la hidroelectricidad. Este método aprovecha la energía cinética del agua sin implicar transformación química de materia ni emisión de gases. Países como Paraguay, Costa Rica y Uruguay lideran, superando el 90 % de electricidad limpia, y Brasil destaca por su uso de etanol derivado de biomasa.

Además de sus recursos hídricos, la región posee vastas reservas de minerales estratégicos, como el litio, esencial para la fabricación de baterías iónicas, y el cobre, crucial para conductores eléctricos y turbinas. Ante esta inmensa riqueza, es imperativo que las naciones latinoamericanas y, en particular, las hispanoamericanas, asuman una profunda conciencia de región y actúen en conjunto. Esto implica una postura unificada y firme en contra de la expoliación extranjera de sus recursos, y que sus élites abandonen la actitud subordinada que históricamente las ha atado a metrópolis externas como Londres o Washington, superando así una mentalidad colonial.

Esta nueva conciencia debe traducirse en una visión estratégica que vaya más allá de ser meros exportadores de materias primas. No se trata solo de exportar uranio, sino de que la región aspire a desarrollar y construir sus propias plantas nucleares efectivas, creando así una matriz y cadena de valor energética propia y soberana. Asumirse como estados capaces de esta industrialización y autogestión energética es fundamental para consolidar la soberanía, impulsar el crecimiento económico autónomo y asegurar una verdadera independencia en el complejo escenario global.

Tensiones geopolíticas

Las tensiones geopolíticas derivadas del acceso a las fuentes energéticas tradicionales se intensifican globalmente. El estrecho de Ormuz emerge como un punto crítico, por donde transita más del 20 % del gas natural licuado (GNL) y el 27 % del petróleo mundial. Los países que dependen fuertemente de hidrocarburos importados son intrínsecamente vulnerables a interrupciones en el suministro, sanciones económicas o conflictos armados, revelando la fragilidad inherente a las cadenas de valor fósiles actuales.

Frente a esta vulnerabilidad, las energías renovables emergen como un pilar de seguridad energética, al no depender de insumos importados sino de flujos naturales inagotables. La invasión de Ucrania por parte de Rusia catalizó una aceleración sin precedentes en la descarbonización europea. Esto impulsó un giro estratégico hacia la producción local de hidrógeno verde, obtenido por electrólisis del agua con electricidad renovable, lo que no solo permite almacenar energía de forma limpia, sino que reduce drásticamente la dependencia energética externa de Europa.

En esta carrera por la independencia energética y el liderazgo tecnológico, Estados Unidos ha impulsado su transición con leyes como la Ley de Reducción de la Inflación (IRA), que compromete más de 369 mil millones de dólares en tecnologías de baja emisión. Simultáneamente, China ha consolidado su dominio en el mercado global de paneles solares, baterías de ion-litio y materiales clave como el grafito y el neodimio, vitales en motores de turbinas eólicas. Esta competencia por el liderazgo tecnológico abre nuevas y complejas disputas geopolíticas.

La demanda global de minerales críticos para la transición energética crece exponencialmente, redefiniendo las estrategias de suministro. El litio, por ejemplo, cuya producción debe multiplicarse por 25 hasta 2050, se ha vuelto estratégico, especialmente para América del Sur. Países como Chile, Argentina y Bolivia forman el denominado "triángulo del litio", una región vital que se posiciona en el centro de las futuras cadenas de valor de la energía limpia, generando nuevas dinámicas de poder y competencia por los recursos.

Referencias

Agencia Internacional de Energía. (2023). World Energy Outlook 2023. IEA. https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2023

BP. (2023). Statistical Review of World Energy 2023. Energy Institute. https://www.energyinst.org/statistical-review

EIA - U.S. Energy Information Administration. (2023). Monthly Energy Review. https://www.eia.gov/totalenergy/data/monthly/

Eurostat. (2024). Energy production and imports. https://ec.europa.eu/eurostat/statistics-explained/index.php?title=Energy_production_and_imports

Ember Climate. (2024). Global Electricity Review 2024. https://ember-climate.org

IEA Latin America Energy Outlook. (2023). Energy in Latin America and the Caribbean. https://www.iea.org/reports/latin-america-energy-outlook-2023

World Nuclear Association. (2024). Nuclear Power in the World Today. https://www.world-nuclear.org

Fondo Monetario Internacional. (2023). Minerals for the Clean Energy Transition. https://www.imf.org/en/Topics/climate-change

Reuters. (2024). Geopolitical Risks and Oil Markets. https://www.reuters.com